專利名稱：交流無弧開關電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種交流無弧開關電器。
背景技術：
開關電器的工作是開通或關斷工作電路，在關斷電路時產生的電弧及其熄滅是開關電器工作時面臨的主要問題，容量愈大則滅弧愈困難，因此熄滅電弧是開關電器技術問題的中心和關鍵所在?，F(xiàn)有的開關電器著眼于“滅弧”，也就是在開關電器關斷電路產生電弧時，設法予以熄滅。在交流電路中滅弧的最佳時機是在交流電流過零時使開關電器關斷，電網的工作頻率一般為50HZ或60HZ，也就是在每秒鐘內電流要過零100次或者120次。由于電流過零的時間極其短暫要恰好在此瞬時實現(xiàn)關斷是難以做到的，若將電流過零點附近例如在±10°(電角度)范圍內認為是適合關斷的角度，那么在電流波形半個周期180°范圍內一次過零時，只有±10°，即20°的范圍適合關斷。在50HZ的頻率下，開關電器關斷時間的精度要達到一秒鐘的百分之一再乘以20/180，即0.01秒乘以1/9，近似為0.001秒。由于開關電器的操作機構是機械機構，材料、工藝、制造上有一定的離散性與分布性，要使其動作時間精度達到千分之一秒的要求基本上是不可能的。
因此，目前的基本矛盾是雖然電子技術的檢測速度很快，精度很高，能夠迅速測出電路中電流的過零點并予以反饋，但機械動作機構卻無法準確地在過零點動作，稍有偏差就有可能在電流峰值附近關斷，產生很大的電弧使滅弧相當困難。對于比單相交流開關電器應用更廣的三相交流開關電器來說，三相交流電流的相位順序相差120°，不可能同時過零，給滅弧帶來更大的困難。
目前電力電子器件發(fā)展很快，雖然它在檢測和關斷的速度上能達到要求，但由于電路開通時元件功耗大，尤其是高電壓大電流時，功耗、散熱問題突出，以及存在成本高、可靠性不如傳統(tǒng)開關電器等不足，故無法取代傳統(tǒng)開關電器。
綜上所述，交流開關電器工作的要點是在電流過零的時候可靠地關斷電路，現(xiàn)有的交流開關電器由于上述各種原因其滅弧效果未臻理想。

發(fā)明內容
本發(fā)明專利的目的是要提供一種交流無弧開關電器，它可在不產生電弧的情況下切斷工作電路的電源。
本發(fā)明是這樣構成的包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組、輔助繞組與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點；以及具有以工作電流感應自鎖、并在工作電流過零后開鎖功能的控制電路。所述鐵芯由導磁材料沖片疊壓而成，布設為若干對圍繞在導體周圍的磁極，主繞組和輔助繞組以互相正交的位置分別繞制在不同對磁極上，主繞組與輔助繞組的一個同名端相連，輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連。所述控制電路的控制電流在按下關斷按鈕后由工作電流的分流提供，控制電流在反相感應電流發(fā)生器內產生旋轉磁場并在導體中感應出與分流后的工作電流大小相等、相位相反(差180°)的反相感應電流，于是與工作電流互相抵消使主電路中電流為零?？刂齐娐吩跈z測到主電路電流過零后即斷開執(zhí)行主觸點，從而實現(xiàn)電路的無弧關斷。
本發(fā)明應用電磁感應的原理，在關斷電路前以反相感應電流與工作電流在主電路中相互抵消，于是在主電路中形成一個電流為零的時間段。這一時間段遠比每秒100次的電流瞬時過零點長得多，足以滿足開關電器的機械動作時間精度要求，從而達到采用機械操作機構的執(zhí)行主觸點可以在這段時間內從容而有效的關斷電路之目的。電路在無電流的情況下關斷自然不會產生電弧。
也就是說，在要關斷電路時，先“令電流為零”，再予以關斷。
較之已有的交流開關電器裝置而言，本發(fā)明由于采用了電磁感應的原理，克服了因電流瞬時過零點時間太短難以控制的缺點，變“滅弧關斷”為“無弧關斷”，是一種全新意義上的開關電器。它既保留了傳統(tǒng)開關電器機械結構的穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，又具備了傳統(tǒng)開關電器所不具有的無弧關斷的特點，因此不僅能保證可靠的技術性能，大幅提高產品的使用壽命，并且使產品的質量和科技含量提高到嶄新的檔次，是一種新穎的開關電器。


圖1是反相感應電流發(fā)生器的結構圖。
圖2是反相感應電流發(fā)生器的等效電路原理圖。
圖3是反相感應電流發(fā)生器內的電流矢量關系圖。
圖4是反相感應電流發(fā)生器內主、輔繞組的感應電流矢量合成和工作電流的關系圖。
圖5是工作電流、反相感應電流波形及其合成圖。
圖6是實施例一電路圖。
圖7是實施例二電路圖。
附圖1、2中Wg表示主繞組、 表示主繞組電流、Wf表示輔助繞組、 表示輔助繞組電流、T表示鐵心、L表示導體、δ表示絕緣層、R-L-C表示移相元件、D1表示定子時軸、D2表示轉子時軸、 表示控制電流， 表示工作電流、 表示反相感應電流、RL表示負載阻抗、Ry表示分流電阻。其余圖中之符號在結合敘述時說明。
具體實施例方式(一)反相感應電流發(fā)生器的說明圖1是反相感應電流發(fā)生器的橫截面結構示意圖，包括導體，鐵芯與主、輔助繞組。圖2是反相感應電流發(fā)生器的等效電路原理圖，包括導體，鐵芯與主、輔助繞組。導體串接在主電路中，是主電路的一部分，導體與鐵芯間以絕緣層隔離，導體以周圍伸出凸齒的方式徑向固定在鐵芯中。由于包容導體的表面積有限，故鐵芯一般采取兩(對)磁極結構，兩極結構的主繞組(工作繞組)成對放置，在與其正交(垂直)的位置布置輔助繞組(副繞組)，輔助繞組根據需要可串入阻抗元件，阻抗元件的作用主要是移相。當主、輔助繞組有電流通過時，鐵芯中就會有感應磁場產生，由于繞組匝數的不同以及移相元件的作用，使主繞組和輔助繞組電流產生的磁通相位不同，這就相當于在空間中產生了兩相旋轉磁場。兩相旋轉磁場相對靜止不動的導體而言，相當于導體在切割磁場的磁力線，于是就有感生電流流過導體的截面?？梢酝ㄟ^選擇電路的各種參數使導體中感應出的電流與工作電流大小相等、相位相反，也就相當于在主電路中形成了一個反相感應電流來和工作電流相抵消，此時主電路中電流為零。交流開關電器在電流為零時關斷電路，就能實現(xiàn)無弧關斷。
上述反相感應電流發(fā)生器的結構原理和交流感應異步電動機有相通之處，因此可以從電工學和電機學理論的角度，分析工作電流、控制電流與反相感應電流之間的關系。
在圖3中， 為定子(繞組)電壓， 為定子電流(主、輔助繞組的合成電流)， 為定子的負載分量，即有功電流(主、輔助繞組合成)， 為轉子(導體)電流， 為交鏈定、轉子的磁通，θ是定子(繞組)時軸D1與轉子(導體)時軸D2之間的夾角。其他矢量與本分析無關故未標出。從上述矢量關系圖可導出如下公式I.2=-kI.1L]]>(式1)從這個關系式可以看到，轉子電流 與定子有功電流反相，k為系數，與電路各元件的參數有關， 的絕對值與k及 成正比。
由于矢量分析中定子時軸D1與轉子時軸D2的相位差θ，以及電路中各種分布參數的影響等等，使得僅有主繞組作用時所感應出的導體中反電流相位與工作電流相位的角度差并不剛好反相——即二者相差180°，而是在接近但又不到180°的范圍之內。這個角度差可以通過輔助繞組的作用得到彌合，經過計算、實驗，選擇適當的輔助繞組匝數或者在輔助繞組上聯(lián)接適當的阻抗元件，使得輔助繞組電流 和主繞組電流 拉開一個相位差，二者分別在導體中感生電流 和 由 和 合成的 與主電路中的工作電流 正好反相，如圖4所示。
輔助繞組除了上述移相作用外，還和主繞組一起構成了兩相旋轉磁場，使靜止的導體在其中切割磁力線，這樣形成的兩相旋轉磁場的橢圓度較大，造成導體中的感應電流很大，但對導體產生的電動力矩卻較小，恰好滿足我們的需要。
(二)本發(fā)明實施例構造及工作過程說明如附圖所示，交流無弧開關電器包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組(工作繞組)、輔助繞組(移相繞組)與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點；以及具有以工作電流感應自鎖、并在工作電流過零后開鎖功能的控制電路。所述鐵芯由導磁材料沖片疊壓而成，布設為若干對圍繞在導體周圍的磁極，主繞組和輔助繞組以互相正交的位置分別繞制在不同對磁極上。主繞組與輔助繞組的一個同名端相連，輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連。
所述的控制電路的特征是包括開通按鈕SB1、關斷按鈕SB2、分流電阻Ry、主線圈KT以及具有以工作電流感應自鎖、并在工作電流過零后開鎖功能的控制結構，其具體構成結合實施例予以說明。
圖5是本發(fā)明實施例一的工作電路圖(以單相交流開關電器為例，三相交流開關電器與此原理相同)包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組、輔助繞組與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點。其控制電路包括開通按鈕SB1，關斷按鈕SB2，分流電阻Ry，以互感方式感應主電路電流的感應線圈A、控制線圈A和常開觸點A，主線圈KT。開通按鈕SB1與常開觸點A并聯(lián)，一端與電源相連接，另一端分為二路，一路串接主線圈KT后接到電源的另一端，另一路接到關斷按鈕SB2的一端。關斷按鈕SB2的另一端接到分流電阻Ry的一端，分流電阻Ry的另一端接到主繞組的一端，主繞組與輔助繞組在這一端以同名端相連；輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連，主繞組的另一端接到電源的另一端。執(zhí)行主觸點KT串接在主電路中，控制線圈A并接在感應線圈A兩端。其工作過程為開按下開通按鈕SB1，線圈KT得電，執(zhí)行主觸點KT閉合，主電路通電后感應線圈A得電使控制線圈A得電，于是常開觸點A閉合，并將控制電路自鎖，使SB1復位后主線圈KT始終得電以保證執(zhí)行主觸點KT一直閉合。
關按下關斷按鈕SB2，主繞組和輔助繞組得電產生旋轉磁場，這時通往主、輔助繞組的控制電流與通過執(zhí)行主觸點的工作電流的相位相同，實際上就是工作電流的“采樣”，可以通過矢量的控制和轉換以控制電流在導體中產生一個和工作電流大小相等、相位相差180°的“反相感應電流” 與工作電流 相抵消，于是在主電路中產生一個電流過零的時間段。感應線圈A在電流過零時失電引起控制線圈A失電，常開觸點A打開，于是主線圈KT失電，機械操作機構立即動作將執(zhí)行主觸點KT打開，在工作電路電流過零并有一個足夠長的時間段時，開關關斷電流為零的電路便不會產生電弧。
當各技術參數適當設置后，由于反相感應電流發(fā)生器等效于轉子靜止的異步電動機，導體(轉子)電流通常是定子電流的若干倍；同時因為定子線圈通電而轉子靜止時的電流相當于電機的起動電流，一般來說起動電流又是正常工作電流的若干倍，因此，反相感應電流發(fā)生器對電流的放大倍數為這兩種放大倍數的乘積。也就是說，反相感應電流發(fā)生器是一個高倍數的電流反相放大器，用采樣-控制電流可以在其導體中產生比采樣-控制電流數值大得多的反相感應電流。我們可以通過計算和實驗的方法確定反相感應電流發(fā)生器的“電流放大倍數”，再回過來確定工作電流和采樣控制電流的比例，用分流電阻電路來比例分配出采樣控制電流。采樣控制電流產生出和分流后的工作電流大小相等、方向相反的“反相感應電流”，從而實現(xiàn)“無弧”關斷。
如圖6所示，實線是工作電流 波形，虛線是反相感應電流 波形，當引入反相感應電流之后，反相感應電流和工作電流相互抵消，電流過零為中間粗實線，也就是說電流過零的時間范圍由原來的幾個瞬時點連成了一條線，開關電器的機械操作部分在這個寬闊的范圍內，可以實現(xiàn)有效的無弧關斷。
圖7是本發(fā)明實施例二的工作電路圖，包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組、輔助繞組與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點。其控制電路包括開通按鈕SB1、關斷按鈕SB2、分流電阻Ry，以互感方式感應主電路電流的感應線圈A、主線圈KT和輔助常開觸點KT。開通按鈕SB1一端與電源連接，另一端分為二路，一路接到主線圈KT，主線圈KT另一端接到電源另一端；由SB1接出的另一路接到感應線圈A一端，感應線圈A另一端接到輔助常開觸點KT的一端，輔助常開觸點KT的另一端和主線圈KT的另一端及電源的另一端相接。主線圈KT通過輔助常開觸點KT并接在感應線圈A兩端。關斷按鈕SB2的一端接到電源，另一端接到分流電阻Ry的一端，分流電阻Ry的另一端接到主繞組的一端，主繞組與輔助繞組在這一端以同名端相連；輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連，主繞組的另一端接到電源的另一端。執(zhí)行主觸點KT串接在主電路中。其工作過程為開按下開通按鈕SB1，主線圈KT得電，執(zhí)行主觸點KT閉合；在開通按鈕SB1復位后，電源不再向主線圈KT供電，這時由于主電路通電后感應線圈A得電，同時輔助常開觸點KT閉合，于是由感應線圈A向主線圈KT供電來達到控制電路的自鎖，保證執(zhí)行主觸點KT一直閉合。
關按下關斷按鈕SB2，主繞組和輔助繞組得電產生旋轉磁場，產生反相感應電流 與工作電流 相抵消，主電路中電流過零，感應線圈A在主電路電流過零時失電造成主線圈KT失電，機械操作機構立即動作將執(zhí)行主觸點KT打開，實現(xiàn)無弧關斷。
本發(fā)明既保留了傳統(tǒng)開關電器機械結構的穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，又具備了傳統(tǒng)開關電器所不具有的無弧關斷的特點，因此不僅能保證可靠的技術性能，大幅提高產品的使用壽命，并且使產品的質量和科技含量提高到嶄新的檔次，是一種新穎的開關電器。
權利要求
1.一種交流無弧開關電器，包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組、輔助繞組與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點；以及具有以工作電流感應自鎖、并在工作電流過零后自動開鎖功能的控制電路，所述鐵芯由導磁材料沖片疊壓而成，布設為若干對圍繞在導體周圍的磁極，主繞組和輔助繞組以互相正交的位置分別繞制在不同對磁極上，主繞組與輔助繞組的一個同名端相連，輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連，所述控制電路的控制電流在按下關斷按鈕后由工作電流的分流提供，控制電流通過主、輔助繞組在反相感應電流發(fā)生器內產生旋轉磁場并在導體中感應出與分流后的工作電流大小相等、相位相反(差180°)的反相感應電流，于是與工作電流互相抵消使主電路中電流為零并維持一個足夠長的時間段，控制電路在檢測到主電路電流過零后即斷開執(zhí)行主觸點，從而實現(xiàn)電路的無弧關斷。
2.根據權利要求1所述的交流無弧開關電器，其特征在于控制電路包括開通按鈕SB1，關斷按鈕SB2，分流電阻Ry，以互感方式感應主電路電流的感應線圈A和常開觸點A，控制線圈A，主線圈KT，開通按鈕SB1與常開觸點A并聯(lián)，一端與電源相連接，另一端分為二路，一路串接主線圈KT后接到電源的另一端，另一路接到關斷按鈕SB2的一端，關斷按鈕SB2的另一端接到分流電阻Ry的一端，分流電阻Ry的另一端接到主繞組的一端，主繞組與輔助繞組在這一端以同名端相連；輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連，主繞組的另一端接到電源的另一端，控制線圈A并接在感應線圈A兩端，執(zhí)行主觸點KT串接在主電路中。
3.根據權利要求1所述的交流無弧開關電器，其特征在于控制電路包括開通按鈕SB1，關斷按鈕SB2，分流電阻Ry，以互感方式感應主電路電流的感應線圈A，主線圈KT和輔助常開觸點KT，開通按鈕SB1一端與電源相連接，另一端分為二路，一路串接主線圈KT后接到電源的另一端，另一路接到感應線圈A的一端，感應線圈A的另一端接到輔助常開觸點KT的一端，輔助常開觸點KT的另一端同時和主線圈KT的另一端及電源的另一端相接，在SB1復位后主線圈KT通過輔助常開觸點KT并接在感應線圈A的兩端，不受電源影響，關斷按鈕SB2的一端接到電源，另一端接到分流電阻Ry的一端，分流電阻Ry的另一端接到主繞組的一端，主繞組與輔助繞組在這一端以同名端相連；輔助繞組的另一端聯(lián)接移相元件，并從移相元件的另一端與主繞組的另一端相連，主繞組的另一端接到電源的另一端，執(zhí)行主觸點KT串接在主電路中。
全文摘要
本發(fā)明為一種交流無弧開關電器，包括串接于主電路中的導體；與導體共同構成反相感應電流發(fā)生器的鐵芯，主繞組、輔助繞組與移相元件；開關的執(zhí)行主觸點；以及具有以工作電流感應自鎖、并在工作電流過零后自動開鎖功能的控制電路。利用電磁感應原理，交流無弧開關電器以工作電流分流的采樣—控制電流在反相感應電流發(fā)生器內導體中感應產生一個與分流后的工作電流大小相等、相位相反(差180°)的反相感應電流，和工作電流相抵消，此時主電路中的電流為零，開關的執(zhí)行主觸點立即切斷電路從而實現(xiàn)無弧關斷。它可在不產生電弧的情況下切斷工作電路的電源，既保留傳統(tǒng)開關電器機械結構的穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，又具備傳統(tǒng)開關電器所不具有的無弧關斷的特點，是一種新穎的交流開關電器。
文檔編號H01H9/54GK1549289SQ03112400
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2003年5月15日
發(fā)明者陳堅, 陳 堅 申請人:福州大學