[发明专利]无火花开关

说明书

本发明涉及一种低压电器开关。

目前广泛应用的机械触点式低压电器开关，如继电器，接触器、磁力起动器、气动开关等直接起动功率负载的开关器件普遍存在着放电火花问题，因而对触点材料的要求很高，而且对于触点电流较大的开关往往还要设灭弧罩，这就使这类开关进一步缩小体积、降低成本，提高寿命受到了限制。但这种传统的机械式开关因其触点在接通以后压降接近于零，工作热损耗极小等优点仍然得到广泛的应用。新型的半导体开关器件，如各种可控硅及由可控硅为核心构成的固态继电器等无触点开关，虽然具有无放电火花的优点，但因其导通压降大。(约为(0.8～3V)，结温高(额定工作状态可达115℃)，工作热损耗大，一般均需要加散热装置和留出散热空间，因而缩小安装体积，降低成本仍然受限制。目前，除了对负载有特殊控制要求或作变频，变流用外，作为普通功率设备直接起动开关使用，半导体开关尚无足够的优势取代机械式开关。

本发明是对机械触点式开关和半导体无触点开关各自特点取长补短的结合。将两种开关合并为一体，利用二者动作的时间差，以半导体开关无火花放电的优点克服机械开关触点打火的缺点，同时以机械开关触点导通压降接近于零的长处弥补半导体开关导通压降大，结温高的短处。这样构成的无火花开关既无需灭弧设施又无需散热装置，可使开关的总体体积缩小，总成体降低，使用寿命提高，同时，与传统的电磁式机械开关相比还可以带来节能、减振的效果。

下面以附图1为例说明无火花开关的构成原理。

图1中虚线框内属于无火花开关的组成部分。其基本构成是将机械开关主触点J₂与主可控硅T₂并联。

工作原理：在操开关K未被接通以前，机械开关的电磁线圈J无电，电磁铁不动作(类似于接触器的结构)，辅助触点J₁保持常闭状态，主触点J₂不接通。可控硅触发单元G虽在工作，但因其输出的触发电流被J₁所短路，小功率可控硅T₁不能被触发而处于关断状态，主可控硅T₂也处于关断状态，负载无电。当操作开关K接通后，电磁线圈J通电，电磁铁带动触点J₁、J₂开始吸合。其动作顺序是，首先J₁断开，经过一段机械位移后，主触点J₂闭合，电磁铁吸合完毕。由于机械开关动作速度较慢，整个吸合过程大约需要0.1秒左右。在J₁断开的瞬间，触发单元G立即将可控硅T₁、T₂触发导通。而可控硅的开关速度是极快的，一般均在几十微秒以内，即在主触点J₂的两电极远未靠近之前，主可控硅T₂已经导通，将J₂两极间的电压由原来的电源电压(220V)降为可控硅T₂的导通压降(0.8～3V)，从而避免3接通时强烈的火花放电。随后，在J₂接通(负载接电完毕，投入运行)以后，由于J₂的触点导通压降接近于零，使负载电流的绝大部分由J₂通过，从而又避免了主可控硅T₂结温的升高。当操作开关K关断后，电磁线圈J断电，电磁铁在弹簧作用下带动机械触点开始复位。复位动作的顺序与接通时相反，即主触点J₂先断开，经过一段反向机械位移后，J₁闭合。在主触点J₂断开后，J₁尚未闭合前的复位行程时间里，可控硅仍处于导通状态，即J2两极间的电压又处于可控硅的导通压降，所以不会在J₂分断时产生更强烈的火花放电。待辅助触点J₁最终闭合后，可控硅才被关断(负载断电完毕)。

由于这种开关在接通和关断过程中，可控硅起到了电流旁路作用，从而避免了火花放电发生，无需灭弧罩和与灭弧有关的设施，对触点材料的要求也可以降低。又由于在接通以后的运行过程，触点压降接近于零，负载电流的绝大部分由触点通过，可控硅通过的电流极小，既使在接通和关断的动作过程中，可控硅暂时独立承担了全部负载电流，但这两个过程的时间都很短，均在0.1秒左右，可控硅的结温始终都不会升高，无需散热装置。而且，鉴于可控硅承担额定负载电流的时间很短，可以充分利用可控硅的过载能力，减小可控硅的容量配置，比如额定电流为40A的无火花开关，只需选用20A以上的可硅即可胜任。