專利名稱:無電弧的電路中斷器的制作方法
已經(jīng)有幾種固態(tài)電路中斷器可用來顯著地減小在保護電路中分離觸點間產(chǎn)生的電弧的幅度。這些裝置一般由半導體元件組成一用這些半導體元件在觸點分離的瞬間把被中斷的電流從這些分離的觸點轉(zhuǎn)移到別的回路。
在美國專利申請(系列號為610，947)中(1984年5月16日由E.K.Howell提出，題目是“固態(tài)限流中斷器”)描述了這樣一種裝置。這個裝置基本上由跨接在分離觸點兩端的電壓控制元件和電流控制元件并聯(lián)組合而成。在觸點分離的瞬間，被中斷的電流首先從觸點轉(zhuǎn)移到電流控制元件，然后到電壓控制元件。從觸點分離時刻和電流離開這些觸點的轉(zhuǎn)移時刻之間的時間滯后在幾微秒之內(nèi)。在這樣短的時間內(nèi)，所產(chǎn)生的電弧對現(xiàn)代化的觸點材料來說影響極小。這些觸點材料一般是銀和鎢或銀和碳化鎢合金的組合。當觸點閉合時，其上的銀在觸點間提供了極好的導電性;在觸點發(fā)弧光期間，其上的鎢使觸點免遭電弧的濺蝕。
序號為665，841的美國專利申請(1984年10月29日由E.K.Howell提出，題目是“漏電流中斷器”)提供一種正溫度系數(shù)元件和跨接在分離觸點兩端的電壓控制元件的組合，用于顯著減小觸點弧光。序號為681，478的美國專利申請(1984年12月14日由E.K.Howell提出，題目是“采用電弧轉(zhuǎn)移方法的電路中斷器”)使用一個齊納二極管和三端雙向可控硅開關，使電流從分離的觸點轉(zhuǎn)移到電壓控制裝置。所有上述作為參考而引入的專利申請，在觸點分離時刻和電流轉(zhuǎn)移到固態(tài)斷續(xù)電路這兩者之間都表現(xiàn)出一定的滯后時間。如果這種接觸打火被完全消除以致觸點能夠在不受有害電弧影響的情況下實現(xiàn)分離，那么顯然，達能顯著的減小觸點尺寸和降低觸點材料的成本。本發(fā)明的目的是敘述一種在正常以及過載條件下均能完全消除分離觸點間產(chǎn)生電弧的電路。
無電弧的電路中斷器通過控制電路、阻抗電路和電流斷續(xù)器三者的配合來實現(xiàn)的。在使觸點斷開之前，阻抗電路將通過一對可分離的觸點的電流分向電流斷續(xù)器。在分離的瞬間，通過觸點的電流已不足以在觸點間產(chǎn)生明顯的電弧。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的無電弧電路中斷器的圖示;
圖2是使用雙極型晶體管的圖1的無電弧電路中斷器的一種實施方案的圖示;
圖3是使用一個與電容器并聯(lián)的場效應晶體管的圖1的無電弧電路中斷器的第二個實施方案的圖示;
圖4是具有跨接在場效應晶體管兩端的金屬氧化物壓敏電阻的圖2的無電弧電路中斷器的另一實施方案的圖示;
圖5是為使電流轉(zhuǎn)換到電流斷續(xù)器而使用一個與復合雙極型晶體管配合的電流變換器的圖1的無電弧電路中斷器的圖示;
圖6是在公共時間軸上的分電流波形及控制電路的電壓波形的圖示。
本發(fā)明的無電弧電路中斷器10示于圖1，其中控制電路11通過控制線20與受控串聯(lián)阻抗器12(以下稱“阻抗電路”)操作地連接，又通過控制線18與電流斷續(xù)器13連接;再通過控制線19，與開關14中的一對固定觸點15、16的橋接觸點17相連接。電路中的載流導線35，通過開關14和阻抗電路12的串聯(lián)組合而與導線31相連接。正常情況下，電流從導線35，通過觸點15、16、17以及阻抗電路12流過電路;此時，阻抗電路12呈現(xiàn)大約等于觸點電阻的低限回路阻抗。電流斷續(xù)器13具有足夠高的阻抗，而由觸點15、16、17給出的電壓降，為低電壓，所以可忽略流過13的電流。當需要中斷回路電流時，就提高阻抗電路12的阻抗，以便把回路電流分給電流斷續(xù)器13。此時，阻抗電路12所給出的阻抗和電流斷續(xù)器13所給出的阻抗相比必須非常大，最好是開路。由于回路(包含電流斷續(xù)器13、阻抗電路12和觸點15、16、17)中電感的作用，所以阻抗電路12兩端的電壓隨著其上阻抗的增加而增加。為了防止阻抗電路12過壓，必須用箝制其上電壓到安全電平或限制其上電壓變化率的方法限制電壓的上升。各種開關器件都可以用在阻抗電路中，用來改變其上的阻抗，從而改變其上的電壓。這些開關器件有門電路斷開開關可控硅(gatetu-rn-off thyristors)、正溫度系數(shù)電阻器，雙極型晶體管以及下將較詳細介紹的場效應三極管。阻抗電路的可控電壓變化率可以從電容器上得到，也可以借助控制電路11從以上這些開關器件得到，還可以在這些開關器件本身范圍內(nèi)建立。分立電路元件，如壓敏電阻和齊納二極管也能用來限制阻抗電路12上的電壓;根據(jù)限制的變化程度，或單個或組合使用。此外，可以根據(jù)阻抗電路中所選用的特定的開關器件的特性，在阻抗電路和主電路之間插入一個阻抗匹配的變換器。阻抗電路12必須連續(xù)地承載正常的主電路電流-例如500安培(在10毫伏電壓降下)，也就是導致5瓦的連續(xù)功耗。當阻抗電路中的開關器件轉(zhuǎn)換到高電壓狀態(tài)時，則其上的電壓降上升到大約20伏，使得在幾微秒之內(nèi)將主回路電流有效地轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13。阻抗電路中的開關器件由半導體元件組成;對于這種器件，一般說來，低的導通壓降和高的截止電壓容量兩者不能兼顧。對于某種特定的半導體器件，其內(nèi)阻低，往往耐壓也低。但大多數(shù)現(xiàn)有開關器件，其內(nèi)阻和耐壓都足夠高。因此要用阻抗匹配變換器來實現(xiàn)開關器件和主電路間的阻抗匹配。當主電路的開關被轉(zhuǎn)換時，電流斷續(xù)器13必須立即接受主電路電流;但是因為電流斷續(xù)器并不承載連續(xù)的電路電流，所以其上可以有幾伏量級的較高壓降。在主電路電流從觸點15-17經(jīng)過導線32轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13之后，控制電路11立即發(fā)出一個信號給可換向的操作機構(gòu)(如由C.L.Jencks等提出美國專利4，001，742所描述的，此處作為參考引入)，于是這些觸點即被打開。在這些觸點分離足夠距離之后(大約0.005至0.01英寸，此距離已足以承受主電路開路電壓而不打火)電流斷續(xù)器13的電壓被提高到超過主電路電壓的高電壓狀態(tài)，從而使主電路電流很快降到零，即完全中斷主電路電流。如果電流斷續(xù)器13不能使主電路電流降到零，那么可以用一個輔助開關(未示出)完成以上中斷過程。如果希望在預定的時間間隔之后自動地再接通開關14，那么也必須使用一個輔助開關。
電流斷續(xù)器13可以是一個固態(tài)開關限流斷續(xù)器，如序號為610，947的上述美國專利申請所描述的;或固態(tài)電路斷續(xù)器，如序號為665，841的上述美國專利申請所述。序號為674，810的(1984年11月12日，由發(fā)明人E.K.Howell提出)美國專利申請所描述的電動電路斷續(xù)器(其中的磁排斥并行間隔的觸頭臂被用作輔助觸點支架)也可用于根據(jù)本發(fā)明教導的電流斷續(xù)器13中。通過導線32和33與開關14及阻抗電路12并聯(lián)的電流斷續(xù)器13的功能是當要切斷開關14時，在觸點15-17被分離的瞬間，為主電路提供一個并聯(lián)低電阻通路，以便顯著地減小通過開關觸點15-17的電流。如前所述，阻抗電路12把主電路電流從開關14分到電流斷續(xù)器13，直至觸點15-17被分離。當觸點已被分離到足以避免產(chǎn)生電弧的距離時，電流斷續(xù)器13的線路被中斷。如斷路器行業(yè)所熟悉的，依靠操作使觸點分離得越快，由斷路器部件所必須消耗的電能越低。序號為684，307的美國專利申請(1984年12月20日提出，題目是“用于電路中斷裝置的快速觸點驅(qū)動器”，此處引入作為參考)描述了一種把橋式觸點17和固定觸點15、16快速分離的裝置。
在圖2的無電弧電路中斷器36中給出了一種由雙極型晶體管21和齊納二極管22組合而成的簡單的阻抗電路12。當控制電路11經(jīng)過導線25給三極管21的基極提供激勵信號時，三極管21處于大電流、低管壓降工作狀態(tài);當去掉基極激勵信號時，三極管很快轉(zhuǎn)變到由齊納二極管決定的較高的電壓狀態(tài)，從而將主電路電流從開關14轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13。來自控制電路11的控制線20可由多條導線組成，這取決于阻抗電路12中的電路元件。例如在圖2至圖4中標出了控制線20中的導線25、26?？刂齐娐?1和阻抗電路12之間的電氣連接是通過導線25、26來完成的。一旦主電路電流已轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13之時，控制線19動作，將橋式觸點17與固定觸點15、16分離，從而切斷在主電路電流已被轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13以后通過阻抗電路12和開關14的少量剩余電流。齊納二極管22保證了跨接在雙極型晶體管的發(fā)射極和集電極上的電壓保持在安全值上;而在某些適當控制雙極型晶體管關-斷時間的場合中，齊納二極管22可被省去。
圖3中畫出的無電弧電路中斷器37，使用了一種由一個場效應晶體管(FET)23和跨接在其漏、源之間的電容器C組成的阻抗電路12。導線25為場效應管23的柵極提供來自控制電路11的偏置電壓。導線26構(gòu)成控制電路11和阻抗電路12的電通路。當柵極上不加偏壓時，場效應管具有很高的阻抗，在若干兆歐姆范圍內(nèi)，接近于一個開路電路;而當柵極被加上偏壓時，場效應管具有接近于短路的很低的阻抗，這實際上對導線35提供了兩條電流通路，即當柵極上加偏壓時，從導線35，經(jīng)過開關14和場效應管到導線31;和當柵極上不加偏壓以便中斷該電流時，從導線35，經(jīng)過導線32，電流斷續(xù)器13和導線33。電容器用于把場效應管電壓限制在安全值;并通過適當控制場效應管的關-斷時間，可將電容器省去。
圖4中的無電弧電路中斷器38與圖3中的相似，只是用金屬氧化物或碳化硅的壓敏電阻24代替了電容器C。在某些電路應用中不需要該壓敏電阻。控制電路11通過導線25與場效應管的柵極連接;同時，通過導線26與阻抗電路12相連。在斷開開關14之前，當場效應管的內(nèi)阻劇增時，主電路電流立即轉(zhuǎn)移到電流斷續(xù)器13。如上所述，電流斷續(xù)器13通過選用一個具有高于系統(tǒng)電壓的箝位電壓的壓敏元件，能夠切斷該電流(如果需要的話，再加上輔助開關的操作。在序號為610，947的美國專利申請描述了此過程)。
如果采用圖5中的無電弧電路中斷器42的阻抗電路12，我們可以得到更低的阻抗。在圖5中將盡可能使用與前面相同的標號。這個實施方案的控制電路11基本上由一個晶體三極管的基極控制電路組成，它通過導線25與第一個三極管Q1的基極相連;并通過導線26與第二個三極管Q2的發(fā)射極相連。Q1和Q2組成復合功率三極管。如圖所示控制電路給Q1提供基極激勵信號;Q1與Q2共集電極，Q1的發(fā)射極與Q2的基極相連，當Q1和Q2都導通時，導線26、27之間的電壓降約幾伏。一個電壓控制元件，如金屬氧化物壓敏電阻24，跨接在導線26、27之間并通過一個由二極管D1-D4組成的橋式整流器與變換器28的次級繞組30并接。這個變換器還包括一個鐵心29以及與電源母線35串聯(lián)的單匝初級線圈34。開關14有一個橋式觸點17，它與一對固定觸點15、16相連，用于導通流過電源母線的電流I1。當Q1和Q2都導通時，跨接在次級線圈30和金屬氧化物壓敏電阻24上的電壓處于低限值。當關斷Q1的基極激勵信號時，基極電流IB降到零，同時Q1和Q2都截止，使得次級線圈30的輸出電壓增加到金屬氧化物壓敏電阻24的箝位電壓。對本實施方案來說，變換器28具有100∶1的匝數(shù)比，金屬氧化物壓敏電阻24具有500伏箝位電壓。用I2表示流過變換器初級線圈的電流，以區(qū)別于流過電源母線35的電路電流I1。用I3表示流過電流斷續(xù)器13的電流，此斷續(xù)器通過導線32、33與開關14并聯(lián)。為了無電弧地斷開觸點15、16，在啟動觸點分離之前，必須把電流I1分到電流斷續(xù)器13。其結(jié)果，這些觸點中只剩下微弱的磁化電流，已不足以在觸點間產(chǎn)生明顯的電弧。只要Q1、Q2導通，金屬氧化物壓敏電阻24兩端的電壓就顯著地低于箝位電壓，因此，無電流流過該電阻24。當晶體管基極控制電路11切斷Q1的基極電流時，基極電流IB很快降到零。這樣，次級線圈30的輸出端和金屬氧化物壓敏電阻24兩端的電壓V2很快上升到金屬氧化物壓敏電阻的箝位電壓，此電壓又在初級線圈34兩端產(chǎn)生電壓V1?？缃釉诔跫壘€圈的電壓V1把主電路電流從觸點15、16分到導線32和電流斷續(xù)器13上去。電流斷續(xù)器13可以是這樣一個固態(tài)開關-例如具有如Howell專利申請(序號為610，947)中所敘述的部件。
控制電路11的三極管基極控制功能件20可以是直接用于檢測變換器28的輸出電流I4的響應元件;或者可把變換器并入在序號為4，266，259的美國專利申請(題目是“用于電路開關靜態(tài)斷路裝置中的長時間和短時間的過流處理器”，以Howell的名義提出。)所述的采用了先進技術的斷路器中。使用數(shù)字邏輯的Howell斷路器的等同物;以及需要時，用微處理機操作開關14、電流斷續(xù)器13及阻抗電路12均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。雖然，本實施例中的控制電路11在這里被描述為用于保護電路中電源故障電流的無電弧中斷，但是在那些需要無電弧切斷的地方，例如在易爆環(huán)境中為過載保護以外的目的而需要打開觸點時，也可應用本發(fā)明控制電路。
圖5中的電路的各項電流之間的關系作為時間的函數(shù)示于圖6中，其中時間的單位是微秒，電壓和電流為標稱值。因為變換器28的匝數(shù)比是1∶100，所以在基極電流IB等于零的t1時刻，如果主電路電流I1等于5000安培，則阻抗電路內(nèi)產(chǎn)生的次級電流I4等于50安培。此時，次級線圈30的端電壓V2從3伏特上升到500伏特，(即金屬氧化物壓敏電阻24的箝位電壓);與此有關的單匝初級線圈的端電壓V1從30毫伏上升到5伏特。這5伏特電壓已足以把主電路電流I1分流到固態(tài)開關13(其電流為I3)，并使通過觸點的電流I2在t2時刻降到低限值。在t3時刻，觸點15、16以最后引證過的Howell專利中所述的方式被打開，從而切斷通過觸點的剩余的磁化電流，導致次級線圈電壓V2和初級線圈電壓V1很快降到零，此時I3等于I1。為了和通過固態(tài)開關的電流I3比較，在同一圖中用虛線畫出了電路電流I1。在t3之后的某一時刻，當開關14的觸點間隙足以承擔所需電壓時，固態(tài)開關13開始工作電流I3流過固體開關中的電壓控制元件，同時由于系統(tǒng)的電壓低于電壓控制元件的箝位電壓，該高電壓促使I3很快降到零。
可以清楚地看到，在切斷通過觸點的電流之前，從一對可分離的觸點將電流分流并引導分流電流通過一個經(jīng)適當設計的電流斷續(xù)器，那么，便可在不產(chǎn)生任何明顯電弧的情況下，將觸點斷開。
權(quán)利要求
1.一個電路中斷器，其特征在于包括--對串聯(lián)連接在電路中的可分離的觸點；-和所述觸點跨接的第一電路裝置，用于在預定的時間間隔內(nèi)把電路電流引離所述觸點，以便中斷電路電流；-和所述觸點串接的第二電路裝置，用于在分離所述觸點之前使所述電路電流轉(zhuǎn)移到所述第一電路裝置；-操作裝置，用于當所述第一電路裝置導通所述電路電流時，分離所述觸點。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的電路中斷器，其特征在于所述第一電路裝置包含一個用于導通和中斷所述電路電流的三極管電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的電路中斷器，其特征在于包含一個具有預定箝壓的壓敏元件，用于保護所述三極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的電路中斷器，其特征在于所述第一電路裝置包含一個正溫度系數(shù)電阻，用于導通和中斷所述電路電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的電路中斷器，其特征在于所述第二電路裝置包括一個可變阻抗元件，用于為所述電路提供第一串聯(lián)阻抗，以便使所述電路電流能流過所述可分離觸點;并提供高于所述第一串聯(lián)阻抗的第二串聯(lián)阻抗，使所述電路電流轉(zhuǎn)移到所述第一電路裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的電路中斷器，其特征在于所述第二電路裝置包含一個雙極型晶體管，此雙極型晶體管導通時給出所述第一串聯(lián)阻抗，此雙極型晶體管截止時給出所述第二串聯(lián)阻抗。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5的電路中斷器，其特征在于所述第二電路裝置包含一個場效應晶體管，此場效應晶體管導通時提供所述第一串聯(lián)阻抗;此場效應晶體管截止時提供所述第二串聯(lián)阻抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5的電路中斷器，其特征在于所述第二電路裝置包含一個晶閘管，此晶閘管導通時提供所述第一串聯(lián)阻抗，此晶閘管截止時提供所述第二串聯(lián)阻抗。
9.根據(jù)權(quán)利要求
3的電路中斷器，其特征在于所述電壓敏感元件包括一個金屬氧化物或碳化硅壓敏電阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求
6、7、8的電路中斷器，其特征在于所述第二電路裝置通過一個變壓器與所述電路連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1的電路中斷器，其特征在于還包含一個控制電路，用以操縱所述第一電路裝置、所述第二電路裝置和所述操作裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求
10的電路中斷器，其特征在于包含一個與所述變壓器的輸出線圈并聯(lián)的壓敏元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12的電路中斷器，其特征在于所述壓敏元件通過一個整流器與所述變壓器的輸出線圈并聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
10的電路中斷器，其特征在于所述變壓器包含一個單匝的初級線圈。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1的電路中斷器，包含一種啟動裝置，即，當通過所述電路的電流剛一達到某預定值時，就開始所述電流轉(zhuǎn)移。
16.一個電路中斷器，特征在于包含-對在某保護電路中的，在一種操作機構(gòu)控制下的可分離的觸點，用于中斷通過所述電路的預定電流;-一個與所述觸點并接的固態(tài)開關，用于把所述電流引離所述觸點，并把電流轉(zhuǎn)移到一個電壓敏感元件，使所述電流降低到預定的最低限值;-一個變壓器，它與所述觸點串聯(lián)，具有處于與一個功率三極管并聯(lián)電路內(nèi)的輸出線圈;-一個為所述功率三極管提供激勵信號的裝置，以使所述觸點閉合時，保持所述變壓器輸出線圈于第一電壓，并在所述觸點分離之前的瞬間，去掉所述功率三極管的激勵信號，從而把所述變壓器輸出線圈的電壓提高到高于第一電壓的第二電壓。
17.一種提供電路中斷的方法，特征在于包括以下步驟-把一對可分離的觸點與一個電氣回路中的第一電路裝置串聯(lián);-把第二電路裝置與所述觸點及所述第一電路裝置并聯(lián);-在斷開所述觸點之前，操縱所述第一電路裝置，使所述電路電流的相當部分轉(zhuǎn)移到所述第二電路裝置;-斷開所述觸點，以便中斷流過所述觸點的剩余電流;-操作所述第二電路裝置，以便把所述轉(zhuǎn)移電流降低到預定的低限值。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17的方法，其特征在于包含以下步驟在所述第二電路裝置中提供第一電壓敏感元件，使所述回路電流通過所述第一電壓敏感元件，從而使所述轉(zhuǎn)移的回路電流降低到所述預定的低限值。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18的方法，其特征在于還包含以下步驟把所述第一電路裝置通過一個變壓器連到所述電氣回路。
20.根據(jù)權(quán)利要求
19的方法，其特征在于還包括以下步驟把功率三極管與所述變壓器的初級線圈并聯(lián)。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20的方法，其特征在于還包括以下步驟對所述功率三極管的基極提供基極激勵電流，以使其導通，從而使所述變壓器的輸出線圈的電壓保持在第一預定值。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21的方法，其特征在于還包括以下步驟把第二個功率三極管的集電極與所述功率三極管的集電極相連;把所述第二功率三極管的發(fā)射極與所述功率三極管的基極相連，所述第二功率三極管的基極可開關地連接到一個基極電源上去。
23.根據(jù)權(quán)利要求
22的方法，包含以下步驟在所述電流變換器初級線圈與所述功率三極管之間，連接一個整流器。
專利摘要
金屬觸點間無擊穿電弧的電路中斷，這是通過一個固態(tài)電流斷續(xù)器與一個控制電路及一個阻抗電路相結(jié)合而實現(xiàn)的。在觸點分離之前的瞬間，阻抗電路將觸點回路的電流分到固態(tài)電流斷續(xù)器。于是，觸點在無足夠的起弧電流的情況下斷開。
文檔編號H02H3/02GK86104528SQ86104528
公開日1987年1月21日 申請日期1986年7月10日
發(fā)明者愛德華·基思·豪厄爾 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan