专利名称：一种电子式零投切接触器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种融合了电力电子技术的全新电子式交流接触器，适用工业和民用各种场合，属于低压电器技术领域。
在电力系统中，为了减少线路的电压损耗和提高电力线路的功率因数，几乎每一家工厂、企业、大楼都必须按供电部门的要求，安装无功功率自动补偿装置。其电气原理，就是根据电力网络的负载状况自动投入或退出并联的电力电容，以补偿无功损耗。由于是自动投切，而电力负载又是一个不断变化的动态过程，因此造成电力电容的投切频率要大大高于手动投切。这种情况导致了一个技术难题的产生，这就是电力电容在投入瞬间的浪涌电流过大，难以克服。
因此，在电力行业中，使用无功补偿器，在投入电力电容时，往往会在接触器触点处产生极大的火花，在切断电力电容时，又容易粘住触头，造成咬死，松不开现象。之所以出现上述的问题，是因为电容器固有的物理特性是电容两端的电压不能跃变。在电力电容投入电网的瞬间，由于其初始态的端电压为零，一下子投到220V或380V电压的电网中，将造成巨大的浪涌电流，其幅值在不加其他措施时，通常的浪涌电流为器件额定电流的20倍以上，因此导致交流接触器和电力电容本身受到大电流冲击而损坏。
为解决这个问题，通常的解决办法有下列两种(1)采用带预投电阻的CJ19型专用接触器；(2)采用双向晶闸管取代投切电力电容的接触器。
上述两种方案都有各自的弊端。因为若采用(1)方案，并不能根本解决触头烧损问题，因为它是利用机械弹簧加电阻对于三相同时投入。而实际上，每相之间相位差为120度，不可能保证三相电容在投入时每相都保证无浪涌电流的投入，何况机械式接触器由于弹簧新旧，应力不一样，同样很快会失去保护触头不烧损的作用。试验证明，采用(1)方案时，其浪涌电流仍为电力电容额定电流的9-10倍。
采用方案(2)尽管可以减少浪涌电流，但却会带来另外的副作用。表现在其一，这时是用双向晶闸管取代接触器，其导通时有0.8V左右的导通压降，会造成电路功耗过大。其二，由于晶闸管在过零时有一个死区电压造成电压电流的不连续性，从而使电网中产生较大的谐波成份。后种状况，在电力系统中是被严格禁止的。因为，电网谐波成份过大会导致电力系统中许多自动控制设备失灵，酿成更大的电力事故。其三，完全用双向晶闸管代替接触器也造成整体成本过高。
需要指出的是，仅仅靠机械结构的设计改进不能完全满足或克服其工作过程中瞬态变化要求，导致传统的接触器的工作寿命和可靠性降低。
本发明的目的是提供一种新的电子式零投切接触器，即由电力电子元件与传统的接触器组合起来，该接触器在线路中通电或断电的瞬间由附加的电力电子元件来承受强电电路的瞬态过程，待瞬态过程结束后，使电力电子元件退出运行，由接触器投入运行完成开关投切时稳态过程，从而达到零投切的目的。
此技术方案的最大优点是从根本上解决了接触器在通电时产生的巨大浪涌电流，断开时产生的拉弧问题。由于该接触器量大面广，在低压线路中缺它不可，因此它的生产、使用，可以解决接触器电寿命短的问题并提高其可靠性，对接触器来说是具有革命性的变化。
本发明的任务是这样完成的1、在接触器通电之前，先由电力电子元件将接触器触点两端短接，使负载浪涌电流经由双向晶闸管通过。然后接通接触器电源，使触点闭合，延迟一段时间后，晶闸管退出。接触器断电时与上述类似，也是先接通并联于接触器触头两端的双向晶闸管，再使接触器断电，延迟一段时间后，晶闸管退出运行。2、每一相的强电执行部分都设计成过零触发电路。当晶闸管导通控制指令发出后，该相并不立即动作，而要到本相电压过零点时，才开始导通，浪涌电流几乎与额定电流相等。3、作为接触器的单体产品，控制方式要简单化。为此，本发明采用由电子元件组成的硬件数字逻辑电路，完成电路所要求的工作时序，并实现了单一化指令触发。其触发和工作时序图见图3波形图。
由图3的工作时序结合
图1、2、4的电气原理图可见，整个电气原理图包括两种一种是单片机PC，另一种是数字逻辑电路。后者由三大部分组成(1)指令触发系统；(2)晶闸管瞬态接入系统；(3)接触器稳态接入系统。
当本电子型过零投切接触器接收到投入指令时，控制逻辑电路首先启动双向晶闸管使之导通，这时接触器的触点尚未接通，巨大的浪涌电流从晶闸管一侧通过，随后，控制逻辑电路再接通接触器，使之触点闭合。由于在此之前触点两端已有晶闸管处于导通态，因此接触器的触点间电压仅为双向晶闸管的导通电压0.8V左右。所以接触器触点几乎是处于空载操作，而不会产生触点火花使触点受损。当接触器接入后一段时间，晶闸管退出运行，此后的稳定工作状态由接触器来承担。因此不会如晶闸管导通时那样产生谐波，干扰电网。当控制逻辑电路发出切断接触器的指令时，与投入时类似，先由晶闸管投入运行，再使接触器触点退出，同样道理，由于接触器退出瞬间，晶闸管仍处于导通态，因此，不会使接触器触点产生断电时的拉弧现象。然后，延迟一段时间，再使晶闸管退出。由于接触器在投和和退出运行时刻，其触点均处于零负载状态，故称之为“零投切接触器”。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的附加数字逻辑电路的电路方框图。
图2为本发明的附加数字逻辑电路线路原理图。
图3为本发明的接触器触发和工作时序图。
图4为本发明单相强电控制回路电气原理图。
图5为本发明三相强电控制回路电气原理图。
图6为本发明以时分割方式解决n台接触器动态工作方式的电气原理图。
参照图1，这是本发明实施原理方框图，包括两种一种是数字逻辑电路；另一种是单片机PC。其中1为指令触发电路，2为晶闸管瞬态接入电路，3为接触器稳态接入电路。上述三部分电路的接配顺序是指令触发电路的输出端与晶闸管接入电路的输入端相接，指令触发电路输出端与接触器稳态接入电路的输入端相连。
参照图2，指令触发系统包括稳态指令触发电路和瞬态指令触发电路。在图中，由与非门U2和非门U1、及电阻R2电容C1组成接触器的稳态指令触发时序。其中A点与C点时序图如图3所示，电阻R2、电容器C1组成的积分电路使C点波形比A点延迟一段时间。由C点波形控制接触器的投切。由与非门U2、U5非门U6及电容C3，电阻R6组成晶闸管启动时序以保证如以上所述的晶闸管触发先于接触器通电所要求的时序，并保证接触器动作之后的一段时间，晶闸管退出。由非门U4、和与非门U3，电容C2，电阻R2、R3、R4组成的接触器退出指令时序。当A点输入由高变低时，E点产生一负跳变脉冲，使晶闸管触发导通，并同样持续至接触器断电退出电路之后的一段时间，才使晶闸管退出运行，上述波形图仍如图3所示，与非门U7，非门U8保证在接触器的投入与退出时G点提供晶闸管所需的时序。
以上的工作时序，既可以供给单相强电回路工作，又可以供给三相强电回路工作。
数字逻辑电路包括稳态指令触发电路和瞬态指令触发电路，所述的稳态指令触发电路由非门U1、与非门U2、电阻R1、电容器C1所组成，所述的瞬态指令触发电路由与非门U2、与非门U3、非门U4、与非门U5、非门U6、与非门U7、非门U8、电容器C2、电容器C3、电阻R2-R4、电阻R6组成，上述电路的接配关系是电阻R1的一端连接A点、电容器C2、电阻R2的一端及与非门U2的2脚，电阻R1的另一端与B点、电容器C1一端及非门U1的输入端相接，电容器C1的另一端接地，非门U1的输出端与与非门U2的1脚相接，与非门U2的3脚与与非门U5的2脚相接，与非门U5的1脚与非门U6的输出端及与非门U7的1脚，F点相接，与非门U5的3脚与电容器C3的一端相接，电容器C3的另一端与非门U6的输入端及电阻R6一端相接，电阻R6另一端接地，电容器C2、电阻R2的另一端与电阻R3的一端及与非门U3的2脚相接，电阻R3的另一端与电阻R4的一端共同接电源，电阻R4的另一端与与非门U3的1脚相接，与非门U3的3脚与非门U4的输入端相连，非门U4的输出端与E点及与非门U7的2脚相接，与非门U7的3脚与非门U8的输入端相接，非门U8的输出端接G点。
参照图3，是本发明的触发和工作时序图，本发明有下述三种不同的组合模式第一种，由过程控制PC机发出指令，在开关闭合时，(1)发出使电力电子元件开通指令；(2)发出使接触器开通指令；(3)发出电力电子元件关闭指令。当在开关断开时，按下述动作时序完成；(1)发出使电力电子元件开通的指令；(2)发出使接触器断开的指令；(3)发出使电力电子元气件关闭的指令。
第二种，如图6，当被控对象数量较多，由十几台甚至几十台电容器作为无功补偿部件时，本发明可以以时分割方式解决强电回路的接触器动态工作方式，而不是在每一台接触器中加装电力电子元件，这样，将使设备总体成本下降。
第三种，对于单一工业产品，可以用电子电路实现上述图3的工作时序。
图4是本发明单相强电控制回路的电气原理图。
在图4中，由光耦电路U9，双向晶闸管U11，电阻R7，R9，R10，电容C4组成了接触器JS的稳态接入系统，输入控制指令由C点给出。由光耦电路U10，双向晶闸管U12，电阻R8，R11，R12，电容C5组成门强电回路瞬态接入系统，输入控制指令由G点给出。由于U9，U10选用过零触发的光耦元件，能保证整个系统过零投切，使浪涌消除。图4中Uin为输入电源，CL为作为负载的电力电容。
参照图5，它是三相电子式过零投切接触器的强电控制回路。
在图5中，三相接触器的稳态触发电路与图4中接触器稳态电路中电路一样，由光耦U13，双向晶闸管U14，电阻R13，R14，R15，电容C6和三相接触器JS3组成。而三相瞬态接入电路，将光耦U15，U17，U19在输入部分接成串联状态，光耦输出部分分为三个独立环节，每个环节电路与图4中的瞬态接入电路一样，分别对就应三相接触器的三组触点JA，JB，JC。同样道理，由于采用了过零触发光耦元件，可以使三相的三组触点，分别在各自回路过零点时导通。
以上图1，图2和图4所显示的技术方案为最佳实施例，图1，图2和图5所显示的技术方案为另一实施例。
以上所述，在电路中由电力电子元件组成的电路完成开关投切时的瞬态过程，由接触器完成开关投切的稳态过程，这是本发明的精髓。
本发明具有广阔的应用前景。
第一，在电力电工行业，它将以机电一体化的新型电子型接触器淘汰传统的带预投电阻的CJ19型电力电容专用接触器，并取而代之。
第二，在国产电梯行业中，大量使用传统接触器，它由于频繁启动投切，触点烧损严重，常常造成电梯故障。本实用新型的接触器用于电梯行业，可望结束国产电梯工作不可靠的历史。
第三，因为浪涌电流在电工行业是一个普遍现象，任何电气的瞬态电流常常是稳态电流的几倍到十几倍，采用本发明专利做成的电子型接触器，将可使现有接触器的电气寿命延长五倍以上，即使其电器寿命达到与机械寿命一样长(通常的接触器规范电气寿命为其机械寿命的1/5)。
第四，如果我国电工行业广泛采用本发明专利技术，将可大规模的节能和节省成本。因为使用本发明专利后，接触器的选型可按额定电流的1/2～1/5来选用。这是因为，在传统接触器的设计中，由于要兼顾其承受瞬态和稳态的两方面工作，不得不加大设计容量。例如，一般交流接触器在投入运行时的触点电流，通常设计成其额定稳态电流的10至12倍。现在本发明专利，采用电力电子元件取代常规接触器承担了电气的瞬态工作过程。一个额定电流为10A的接触器，即便用于50A额定电流的工作场所，也无触头烧损之虑。另外，由于晶闸管仅处于0瞬态导通状态，几乎不用考虑采用散热措施。在容量规格的选型上也可以“小材大用”，降低成本。更重要的是，不像采用固态继电器那样会产生谐波，从而造成“电污染”。
因此，在任何使用接触器的场合，这类新型零投切接触器将以它的功耗小，不产生谐波，成本低，工作可靠等种种优点取代传统的交流接触器。从而，受到电力电工行业的普遍欢迎。
权利要求
1.一种电子式零投切接触器，其特征在于电路中由电力电子元件组的电路完成开关投切时的瞬态过程，由接触器完成开关投切时的稳态过程。
2.根据权利要求1所述的电子式零投切接触器，其特征在于电力电子元件组成瞬态过程指的是稳态指令触发电路和瞬态指令触发电路两部分，所述的稳态指令触发电路，由非门U1、与非门U2、电阻R1、电容器C1所组成，所述的瞬态指令触发电路由与非门U2、U3、非门U4、与非门U5、非门U6、与非门U7、非门U8、电容器C2、C3、电阻R2-R4、R6所组成，上述电路的接配关系是电阻R1的一端连接A点、电容器C2、电阻R2的一端及与非门U2的2脚，电阻R1的另一端与B点、电容器C1一端及非门U1的输入端相接，电容器C1的另一端接地，非门U1的输出端与与非门U2的1脚相接，与非门U2的3脚与与非门U5的2脚相接，与非门U5的1脚与非门U6的输出端及与非门U7的1脚、F点相接，与非门U5的3脚与电容器C3的一端相接，电容器C3的另一端与非门U6的输入端及电阻R6一端相接，电阻R6另一端接地，电容器C2、电阻R2的另一端与电阻R3的一端及与非门U3的2脚相接，电阻R3的另一端与电阻R4的一端共同接电源，电阻R4的另一端与与非门U3的1脚相接，与非门U3的3脚与非门U4的输入端相连，非门U4的输出端与E点及与非门U7的2脚相接，与非门U7的3脚与非门U8的输入端相接，非门U8的输出端接G点。
3.根据权利要求1所述的电子式零投切接触器，其特征在于它的强电控制回路是三相强电控制回路，其中三相稳态接入电路由光电耦合器U13、双向晶闸管U14、电阻R13-R15、电容器C6及三相接触器JS3组成，三相瞬态接入电路，将光电耦合器U15、U17、U19的输入部分接成串联状态，输出部分分成为三个独立环节，每个环节分别对应三相接触器的三组触点JA、JB、JC。
4.根据权力要求1所述的电子式零投切接触器，其特征在于它的强电控制回路是单相控制回路，由光电耦合器U9，双向晶闸管U11、电阻R7、R9、R10、电容器C4组成接触器JS的稳态接入系统，输入控制指令由C点给出，由光电耦合电路U10，双向晶闸管U12、电阻R8、R11、R12、电容器C5组成强电回路接入系统，输入控制指令由G点给出。
5.根据权力要求1所述的电子式零投切接触器，其特征在于由一块单片机PC及由PC产生相应的指令时序，控制对象是多台接触器。
6.根据权利要求5所述的电子式零投切接触器，其特征在于它由一组晶闸管和n组辅助接触器所组成，它利用时间分割的方式，由一组晶闸管借助n组辅助接触器中某一组辅助接触器，完成对该组主接触器动态工作过程。
全文摘要
本发明涉及一种电子式零投切接触器，该按触器在线路中通、断的瞬间，由附加的数字逻辑电路和相应的指令时序，电力电子元件来承受强电电路的瞬态过程，电力电子元件退出运行，由接触器投入运行，完成开关投切时的稳态过程，从而达到零投切的目的。数字逻辑电路包括稳态指令触发电路和瞬态指令触发电路、晶闸管接入电路、接触器稳态接入电路，其最大优点是利用数字逻辑电路和相应的时序指令的运行，从根本上解决了接触器在通电时产生的巨大的浪涌电流，断开时产生的拉弧问题。它的生产和使用，可提高接触器的电寿命和可靠性。
文档编号H02J3/18GK1392575SQ0111343
公开日2003年1月22日 申请日期2001年6月14日 优先权日2001年6月14日
发明者林在荣 申请人:林在荣