專利名稱：：一種大功率混合直流接觸器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于電力電子技術(shù)及電容并聯(lián)技術(shù)的大功率混合直流接觸器。(二)
背景技術(shù)：
鐵路是國家重要基礎(chǔ)設(shè)施、國民經(jīng)濟大動脈和大眾化交通工具。加快鐵路發(fā)展，對促進經(jīng)濟社會發(fā)展，實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會的宏偉目標具有重要作用。直流電磁式接觸器是鐵路機車與車輛供電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的電器元件，其可靠性及壽命直接影響整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。直流接觸器在接通或分斷大功率負載時，會出現(xiàn)觸點的抖動、振動、電弧、燒蝕等現(xiàn)象，造成觸點接觸電阻異常、觸點粘接等故障，導致開關(guān)動態(tài)特性差、電壽命短等缺陷。其中機械觸點在開斷過程中電弧磨損不可避免，且功率越大電磨損越嚴重，是造成直流電磁式接觸器可靠性差、壽命短的關(guān)鍵因素?；旌祥_關(guān)電器以其無電弧通斷、高可靠性和長壽命等優(yōu)點被日益關(guān)注。傳統(tǒng)混合直流接觸器在主要利用電磁開關(guān)和電子開關(guān)各自優(yōu)點并聯(lián)使用來完成消除電弧的作用，該設(shè)計方法需要電子開關(guān)承擔負載電流的時間較長，且完全承擔分斷電流沖擊。這樣隨著功率的提高，該方法的開發(fā)成本越高，且易造成MOSFET的電擊穿失效，給整個系統(tǒng)帶來無法克服的影響。(三)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過在觸頭兩端并聯(lián)電力電子開關(guān)MOSFET和儲能電容分別消除在接觸器閉合過程中的彈跳電弧和接觸器分斷電弧來完成整個系統(tǒng)無弧通斷功能的大功率混合直流接觸器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它是由大功率直流接觸器和滅弧系統(tǒng)組成，其中滅弧系統(tǒng)又分為接觸器閉合滅弧部分和接觸器斷開滅弧部分。直流接觸器U2由接觸器支架、動靜觸頭、電磁線圈等組成，其控制電壓為110V，電源系統(tǒng)U1輸出110V電源信號給接觸器線圈，產(chǎn)生吸力使接觸器觸頭閉合導通；掉電后電磁吸力消失，觸頭分離。普通大功率直流接觸器在額定工作狀態(tài)下，觸頭在閉合和斷開時刻會產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，本發(fā)明由于具有完善的滅弧系統(tǒng)，可以實現(xiàn)混合接觸器無弧通斷。接觸器閉合滅弧系統(tǒng)由電源轉(zhuǎn)換電路模塊U3、隔離電路模塊U4、采樣電路模塊U5、閉合控制電路模塊U6、延時輸出電路模塊U7、判斷電路模塊U8、驅(qū)動電路模塊U9、電力電子器件U10及保護模塊Ull組成。電源轉(zhuǎn)換電路U3將Ul輸出電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各功能模塊所需電源電壓信號S12(5V)和S13(24V)。在接觸器線圈上電時，延時輸出模塊檢測到U3輸出電信號S12，輸出一定延時時間高電平信號S6給判斷電路模塊U8。在接觸器U2閉合時刻，隔離模塊U4檢測接觸器觸頭閉合電信號S2，并產(chǎn)生隔離輸出信號S3給采樣電路模塊U5，控制電路模塊U6接收采樣輸出信號S4，將控制高電平信號輸出給判斷模塊U8。這樣，判斷電路U8同時接收來自控制模塊U6和延時輸出模塊U7的高電平信號時，輸出判斷信號，以開啟驅(qū)動電路模塊U9。U9輸出電力電子器件的驅(qū)動信號，使MOSFETU10導通。這樣，MOSFET承擔接觸器觸頭彈跳時的電流負載，從而有效的消除了接觸器觸頭閉合過程中的彈跳電弧。混合直流大功率接觸器斷開滅弧系統(tǒng)由保持電路模塊U12、斷開部分判斷模塊U13、斷開部分控制模塊U14、繼電器U15、能量吸收模塊U16和電力電容放電模塊U17組成。接觸器分斷電弧消除原理為在接觸器U2線圈掉電時，觸頭經(jīng)過大約50us的延時時間分離，在這段延時時間內(nèi)利用繼電器將能量吸收系統(tǒng)接入到接觸器觸頭兩端，是在觸頭分離時刻，吸收電弧能量，來消除電弧影響。在接觸器U2未導通時，能量吸收模塊U16通過繼電器U15與放電模塊U17相并聯(lián)，使U16內(nèi)的能量通過U17釋放。在電源系統(tǒng)U1給接觸器U2線圈上電時，保持模塊U12保持該控制信號S1，在接觸器掉電斷開時，U12釋放控制信號S9給判斷模塊U13，確定為釋放信號時控制電路模塊UI4給繼電器U15線圈上電，使其將能量吸收模塊U16并聯(lián)到接觸器U2觸頭兩端，以吸收接觸器分斷產(chǎn)生的電弧。本發(fā)明的另一目的在于提供一種大功率混合直流接觸器的控制方法由以下步驟完成步驟一、混合直流接觸器線圈上電，觸頭經(jīng)50ms的延時時間閉合，在接觸器觸頭第一次接觸時閉合滅弧系統(tǒng)檢測到其接觸電信號，瞬間導通電力電子器件MOSFET，承擔接觸器觸頭彈跳過程中的電流負載；步驟二、混合直流接觸器線圈掉電，觸頭經(jīng)40ms的延時時間分斷，通過斷開滅弧系統(tǒng)檢測線圈掉電信號，使繼電器動作將能量吸收電路切入，并聯(lián)到接觸器觸頭兩端，吸收接觸器的分斷電弧能量。本發(fā)明使接觸器在通斷動作過程中，消除觸頭電弧對接觸器電壽命的影響，克服了當今市場上大功率直流接觸器有電弧通斷，電壽命短，可靠性差等缺點。提供一種新型大功率混合直流接觸器，使其具有無電弧、可靠通斷的特性，大大提高接觸器電壽命，使混合開關(guān)電器可以適用于大功率的應(yīng)用場合。本發(fā)明通過在觸頭兩端并聯(lián)電力電子開關(guān)MOSFET和儲能電容分別消除在接觸器閉合過程中的彈跳電弧和接觸器分斷電弧來完成整個系統(tǒng)無弧通斷功能。在接觸器閉合過程中通過檢測接觸器觸頭兩端電壓下降沿，由控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生驅(qū)動信號使電力電子器件MOSFET導通，承擔電流負載。這樣，可以有效消除大功率直流接觸器閉合過程中的觸頭的彈跳電弧。在接觸器斷開過程中，接觸器觸頭會產(chǎn)生較大的分斷電弧。利用電容兩端電壓不突變特性，在接觸器分斷時刻吸收接觸器的分斷電弧能量，以達到混合接觸器無弧分斷的效果。(四)圖l為本發(fā)明閉合滅弧系統(tǒng)原理框圖；圖2為電源轉(zhuǎn)換電路；圖3為信號隔離采樣電路；圖4為控制電路原理圖；圖5為延時輸出電路原理圖；圖6為驅(qū)動電路原理圖；圖7為斷開滅弧系統(tǒng)原理圖；圖8為控制電路原理圖；圖9為斷開系統(tǒng)等效寄生參數(shù)電路圖；圖io為具體實施方式的電路原理框圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一歩的說明本實施例為一種應(yīng)用于大功率場合的混合直流接觸器，在通斷過程中消除電弧的影響，極大的提高了電接觸的可靠性和接觸器的使用電壽命。它是由大功率直流接觸器和滅弧系統(tǒng)組成，其中滅弧系統(tǒng)又分為接觸器閉合滅弧部分和接觸器斷開滅弧部分。直流接觸器U2由接觸器支架、動靜觸頭、電磁線圈等組成，其控制電壓為110V，電源系統(tǒng)U1輸出110V電源信號給接觸器線圈，產(chǎn)生吸力使接觸器觸頭閉合導通；掉電后電磁吸力消失，觸頭分離。普通大功率直流接觸器在額定工作狀態(tài)下，觸頭在閉合和斷開時刻會產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，本發(fā)明由于具有完善的滅弧系統(tǒng)，可以實現(xiàn)混合接觸器無弧通斷。接觸器閉合滅弧系統(tǒng)由電源轉(zhuǎn)換電路模塊U3、隔離電路模塊U4、采樣電路模塊U5、閉合控制電路模塊U6、延時輸出電路模塊U7、判斷電路模塊U8、驅(qū)動電路模塊U9、電力電子器件U10及保護模塊U11組成。電源轉(zhuǎn)換電路U3將U1輸出電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各功能模塊所需電源電壓信號S12(5V)和S13(24V)。在接觸器線圈上電時，延時輸出模塊檢測到U3輸出電信號S12，輸出一定延時時間高電平信號S6給判斷電路模塊U8。在接觸器U2閉合時刻，隔離模塊U4檢測接觸器觸頭閉合電信號S2，并產(chǎn)生隔離輸出信號S3給采樣電路模塊U5，控制電路模塊U6接收采樣輸出信號S4，將控制高電平信號輸出給判斷模塊U8。這樣，判斷電路U8同時接收來自控制模塊U6和延時輸出模塊U7的高電平信號時，輸出判斷信號，以開啟驅(qū)動電路模塊U9。U9輸出電力電子器件的驅(qū)動信號，使MOSFETU10導通。這樣，MOSFET承擔接觸器觸頭彈跳時的電流負載，從而有效的消除了接觸器觸頭閉合過程中的彈跳電弧?；旌现绷鞔蠊β式佑|器斷開滅弧系統(tǒng)由保持電路模塊U12、斷開部分判斷模塊U13、斷開部分控制模塊U14、繼電器U15、能量吸收模塊U16和電力電容放電模塊U17組成。接觸器分斷電弧消除原理為在接觸器U2線圈掉電時，觸頭經(jīng)過大約50us的延時時間分離，在這段延時時間內(nèi)利用繼電器將能量吸收系統(tǒng)接入到接觸器觸頭兩端，是在觸頭分離時刻，吸收電弧能量，來消除電弧影響。在接觸器U2未導通時，能量吸收模塊U16通過繼電器U15與放電模塊U17相并聯(lián)，使U16內(nèi)的能量通過U17釋放。在電源系統(tǒng)U1給接觸器U2線圈上電時，保持模塊U12保持該控制信號S1，在接觸器掉電斷開時，U12釋放控制信號S9給判斷模塊U13，確定為釋放信號時控制電路模塊U14給繼電器U15線圈上電，使其將能量吸收模塊U16并聯(lián)到接觸器U2觸頭兩端，以吸收接觸器分斷產(chǎn)生的電弧。結(jié)合圖IO，其中各部分單元分別為U1IIOV直流電源；U2直流接觸器；U3電源轉(zhuǎn)換電路；U4隔離電路；U5采樣電路；U6閉合部分控制電路；U7延時輸出電路；U8閉合部分判斷電路；U9電力電子器件驅(qū)動電路；U10電力電子器件MOSFET;Ull保護電路；U12保持電路；U13斷開部分判斷電路；U14斷開部分控制電路；U15用于切換的繼電器；U16能量吸收電路；U17電力電容放電電路。具體信號名稱Sl電源輸出IIOV電信號；S2接觸器觸頭兩端電壓檢測信號；S3隔離輸出信號；S4采樣信號；S5閉合部分控制信號；S6延時輸出信號；S7閉合部分判斷信號；S8M0SFET驅(qū)動信號；S9斷開部分保持電路變化輸出信號；S10斷開部分判斷電路輸出信號；Sll斷開部分繼電器控制信號。S125V電源信號；S1324V電源信號。本實施例硬件設(shè)計如下(1)接觸器閉合過程中觸頭彈跳電弧消滅系統(tǒng)設(shè)計圖1所示為閉合滅弧系統(tǒng)原理框圖，由電源轉(zhuǎn)換電路模塊、信號隔離采集模塊、控制電路模塊、延時輸出電路模塊和MOSFET驅(qū)動電路模塊組成。結(jié)合圖2，電源轉(zhuǎn)換電路模塊U3功能是將鐵路機車用110V直流電轉(zhuǎn)換為控制及驅(qū)動電路所需要的5V和24V直流電壓。利用兩個24V穩(wěn)壓管分壓110V為24V，再分別利用24V-5V，24VJ4V電源模塊進行隔離電源轉(zhuǎn)換，提供控制及驅(qū)動電路所需要的5V和24V電壓。信號隔離及采樣電路模塊U4、U5:信號隔離采樣電路如圖3所示，通過快速光耦6N137檢測接觸器閉合時刻觸頭兩端電壓下降信號，產(chǎn)生高電平信號。6N137光耦元件反應(yīng)時間為60到75納秒，最高頻率達10MHz，可以快速、可靠的采到觸頭接觸信號。控制電路模塊U6:控制電路如圖4所示，該電路的作用是保證系統(tǒng)準確得到觸頭第一次接觸信號輸出維持一段時間的高電平控制信號，使整個系統(tǒng)正常、有效工作?？刂齐娐吠瑯涌梢杂行б种齐娐犯蓴_所引起的無動作?；蚍情T4001完成控制邏輯，有效快速。延時輸出電路模塊U7:延時輸出電路如圖5所示，該電路的作用是判斷接觸器U2線圈上電，以輸出一定延時的高電平信號，其相關(guān)控制邏輯由或非門4001完成。延時信號利用RC電路作用完成。驅(qū)動電路模塊U8:驅(qū)動電路如圖6所示，該電路具有良好的驅(qū)動及保護功能。推挽電路采用大功率晶體管TIP122,TIP127提高電路的驅(qū)動能力，使其驅(qū)動瞬時電流達到5A,具備驅(qū)動大功率MOSFET的能力。(2)接觸器斷開過程中觸頭分斷電弧消滅系統(tǒng)設(shè)計接觸器斷開過程系統(tǒng)動作如圖7所示。大功率混合直流接觸器分斷過程電弧的消除方法是通過儲能元件大容量電解電容吸收系統(tǒng)回路的能量來完成的。在接觸器穩(wěn)態(tài)閉合時電容處于放電狀態(tài)，當接觸器線圈掉電時刻，在其觸頭分離前將電容并聯(lián)接入觸頭兩端，這樣，分斷電弧能量可以被電容所吸收。保持、判斷及控制電路模塊U12、U13、U14保持、判斷及控制電路如圖8所示，該電路可以在接觸器線圈掉電時刻，控制繼電器動作，由于繼電器動作的延時時間小于接觸器動作延時時間，所以在接觸器觸頭尚未分離時刻，儲能電容已經(jīng)切入回路并聯(lián)在觸頭兩端，在觸頭分離過程中吸收電弧能量。(3)接觸器分斷電弧消滅系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計由于電解電容及電路導線有寄生參數(shù)存在，在接觸器觸頭斷開過程中，能量無法立即轉(zhuǎn)換到電容中去，這樣，會產(chǎn)生電弧并維持一段時間。滅弧系統(tǒng)中寄生參數(shù)越小，對應(yīng)電弧維持的時間越短，對觸頭的損壞程度也就越小。本發(fā)明中，采用4個250V/2200uF的電解電容并聯(lián)吸收電弧，經(jīng)測量其寄生參數(shù)分別為73.13mQ/168nH,63.9mQ/182nH，78.39mQ/170nH，66.05mQ/176nH。本實施例中，通過對系統(tǒng)走線及PCB板布局的優(yōu)化設(shè)計，使寄生參數(shù)達到最小值。PCB板采用緊密式布局形式，板面覆錫以增加走線寬度，減小寄生參數(shù)，基本上消除了電弧影響。優(yōu)化后系統(tǒng)等效電路圖如圖9所示，其相關(guān)數(shù)值在表1中給出。表1系統(tǒng)寄生參數(shù)數(shù)值<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種大功率混合直流接觸器，由直流接觸器和滅弧系統(tǒng)組成，其特征在于其中滅弧系統(tǒng)又包括閉合電弧消除部分和斷開電弧消除部分，閉合滅弧裝置和斷開滅弧裝置分別并聯(lián)在接觸器觸頭兩端；閉合滅弧系統(tǒng)由電源轉(zhuǎn)換模塊U3、隔離模塊U4、采樣模塊U5、閉合控制模塊U6、延時輸出模塊U7、判斷模塊U8、驅(qū)動模塊U9、電力電子MOSFET器件U10及保護模塊U11組成，電源系統(tǒng)U1連接直流接觸器U2，同時通過電源轉(zhuǎn)換模塊U3連接隔離模塊U4、采樣模塊U5、閉合控制模塊U6和延時輸出模塊U7，并連接驅(qū)動電路U9；隔離模塊U4與接觸器U2觸頭兩端直接相連，輸出端連接采樣模塊U5，控制模塊U6通過采樣模塊U5連接判斷模塊U8；延時輸出模塊U7的輸出端連接判斷模塊U8，判斷模塊U8的輸出端連接驅(qū)動電路U9，驅(qū)動電路U9連接電力電子MOSFET器件U10；電力電子MOSFET器件U10與保護模塊U11串聯(lián)連接后并聯(lián)于接觸器U2兩端；斷開滅弧系統(tǒng)由保持電路模塊U12、斷開部分判斷模塊U13、斷開部分控制模塊U14、繼電器U15、能量吸收模塊U16和電力電容放電模塊U17組成；能量吸收模塊U16通過繼電器U15與放電模塊U17相并聯(lián)，電源系統(tǒng)U1連接接觸器U2，保持模塊U12的控制信號輸出端連接判斷模塊U13，判斷模塊U13的控制輸出端連接斷開部分控制模塊U14，斷開部分控制模塊U14連接繼電器U15，能量吸收模塊U16并聯(lián)接觸器U2觸頭兩端。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率混合直流接觸器的控制方法由以下歩驟完成步驟一、混合直流接觸器線圈上電，觸頭經(jīng)50ms的延時時間閉合，在接觸器觸頭第一次接觸時閉合滅弧系統(tǒng)檢測到其接觸電信號，瞬間導通電力電子器件MOSFET，承擔接觸器觸頭彈跳過程中的電流負載；步驟二、混合直流接觸器線圈掉電，觸頭經(jīng)40ms的延時時間分斷，通過斷開滅弧系統(tǒng)檢測線圈掉電信號，使繼電器動作將能量吸收電路切入，并聯(lián)到接觸器觸頭兩端，吸收接觸器的分斷電弧能量。全文摘要本發(fā)明提供了一種大功率混合直流接觸器及其控制方法，本發(fā)明由直流接觸器主體和滅弧系統(tǒng)組成。直流接觸器包括動靜觸頭、主體支架、電磁線圈等部分，完成通斷作用。滅弧系統(tǒng)包括接觸器閉合電弧消除部分和接觸器斷開滅弧部分?；旌现绷鹘佑|器閉合滅弧部分由電源轉(zhuǎn)換電路、信號隔離采集電路、控制電路及MOSFET驅(qū)動電路組成，通過檢測觸頭閉合信號導通電力電子開關(guān)消除彈跳電?。粩嚅_過程出頭電弧消除部分由保持電路、判斷電路、控制切換電路及能量吸收電路組成，利用電力電容能量吸收特性消除接觸器觸頭分斷大功率負載時產(chǎn)生的電弧，通過PCB板布局的優(yōu)化設(shè)計最大限度減少寄生參數(shù)的影響，使大功率混合直流接觸器在分斷動作過程中完全消除電弧影響。文檔編號H01H9/30GK101266888SQ200810064420公開日2008年9月17日申請日期2008年4月30日優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日發(fā)明者周月閣,張斌瑞,沙友濤,王淑娟,宇田,申澤軍,翟國富申請人:哈爾濱工業(yè)大學