機電一體化開關的製作方法

2023-04-26 10:55:31

專利名稱：機電一體化開關的製作方法
技術領域：
本實用新型機電一體化開關涉及一種新型電器開關，這種開關由有觸點開關也就是機械開關和無觸點開關例如電子開關及控制裝置組成。例如，機電一體化開關可由接觸器和可控矽開關再加上微處理器組合而成。
背景技術：
現有的有觸點開關和無觸點開關經過長期的競爭後仍然能夠共存，證明由於它們各具有優點及缺點而且互相不能完全取代。在有觸點開關中，例如接觸器，雖然結構簡單、工作可靠、製造和維護方便，而且屬於傳統產品，曾經佔領著廣大的市場，但是它的觸點斷開負載時容易產生電弧而且觸點容易被電弧燒傷，造成接觸不良，觸點發熱甚至動、靜觸點相互焊接的現象，產生的電弧甚至可能造成相間短路事故，使其工作不可靠，甚至造成事故；而且在產生電弧的同時還會產生強烈的電磁幹擾，影響其他元件、系統甚至環境。而無觸點開關雖然因為無觸點因此不產生電弧，可靠性、可控性很好，各項技術指標先進，正在不斷地擴大自己的市場，但是也常常存在散熱問題，存在抗幹擾能力、過載能力相對較弱等問題。

發明內容機電一體化開關是由有觸點開關、無觸點開關及控制裝置組成。如圖1所示在接觸器的常開觸點上直接並聯著電子開關，並且它們的動作都由包括傳感器在內的控制裝置所控制，這樣就構成了機電一體化開關。其中的接觸器是依靠機械的動作來完成觸點的通斷轉換的，屬於機械開關。它與可控矽、IGBT之類的電子開關及控制裝置組合成為機電一體化開關後，只要通過適當程序的控制，就能夠實現性能上的提高。
例如，圖1中的機電一體化開關來實現電動機的軟啟動(啟動的過程先由電子開關為負載接通電源並進行軟啟動，完成軟啟動後才由接觸器觸點閉合使電動機轉入正常運轉)，則首先用調節電子開關的導通角等辦法來均勻平滑地增加加在電動機定子繞組上的三相等效交流電壓Ud，使其從零逐漸增大，以實現對啟動過程中的動態力矩的均勻平滑控制，在限制di/dt、du/dt的條件下使電動機平滑加速，避免啟動衝擊；直到電動機升速至規定值、電壓Ud達到預定值時再通過它們的控制裝置的控制及時地把機械開關的動、靜觸點閉合、將電子開關的兩極短接以完成啟動。可見啟動過程必須在控制裝置所預定的程序及相關的條件(如轉速、電壓等反饋信號)控制之下才能順利進行。由於啟動過程中在機械開關的動、靜觸點閉合前已經存在著電子開關的閉合通路，故機械開關的動、靜觸點閉合時甚至彈跳時都不會產生電弧，這樣就顯著降低了觸點的發熱和簡化了觸頭維護，延長了壽命，解決了環境汙染的問題，又可避免產生觸頭粘連造成事故；而在軟啟動結束後由於電子開關被閉合的動、靜觸頭所短接而不工作，不但降低了電子開關的發熱，而且可為它屏蔽電磁幹擾；既延長了它的壽命，也提高了抗幹擾能力和可靠性。這樣，機電一體化開關很好地完成了軟啟動。同樣，如使電動機定子繞組上的Ud均勻平滑地降低也可實現軟制動。它的過程是機械開關動、靜觸頭先行斷開到位，此時仍然導通著的電子開關發揮其軟制動的功能，逐漸降低Ud來降低電動機的端壓直到Ud為零，電子開關斷開，電動機在降低衝擊的條件下完成了軟制動。由於在機械開關觸頭打開之初與其並聯的電子開關仍然導通，即動、靜觸點之間雖然打開了但是仍然存在著旁路，使打開了的動、靜觸點一直被電子開關短接著，因此在整個軟制動過程中動、靜觸點上都不會產生電弧。
我們可以把軟啟動、軟制動之類的利用調節Ud來實現降低衝擊的操作統稱為軟操作。它證明了在機電一體化開關中保留了電子開關的「能控性好」的功能；並且，只要恰當地使電子開關和機械開關互相協調、配合地完成軟操作，就能夠使機械開關和電子開關雙方取長補短，共同實現性能的提高。由於機電一體化開關觸頭之間已經不會燃弧，因此其機械開關中可以取消滅弧罩和吹弧線圈等有關設計；由於不需要再考慮電弧所造成的對地短路、相間短路，因此其中機械開關的結構尺寸、安裝距離都可大大減小。這些都使得機電一體化開關的性能指標顯著提高。
機電一體化開關的實現方式可以有多種。例如圖2就是以零點開關的形式實現的機電一體化開關。由於在開關閉合狀態下零點具有零電位，這樣使得位於零點的機電一體化開關的工作條件更加安全；而且由於在零點和電網之間有電抗性的電動機定子繞組的隔離，使得電磁幹擾雜散波在它們之間的相互傳播受到阻隔而大為削弱，因此既可以使用電設備的電子開關免除由電網傳入的電磁幹擾，又可使電網免除由用電設備的電子開關產生和傳入的電磁幹擾；這樣使電網尤其是使電子開關工作的可靠性都可得到提高。同時，由於無論開關是在接通或者斷開於電網時零點都具有相同的零電位，因此它的三個靜觸頭可以成為一體而共同加以翅形散熱片，使觸頭及電子開關的散熱條件得以改善而提高開關的載流能力。
機電一體化開關中的有、無觸點開關還可以採用如圖3所示的串聯形式構成。即在動或者靜觸點上直接地與無觸點開關的一極相連接以構成串聯電路。這時機電一體化開關的軟操作程序是有觸點開關先接通電壓後，再由無觸點開關接通負載電流進行軟啟動直至完成升速；或者由無觸點開關先進行軟制動直至完成降速、無觸點開關斷開電路結束制動後有觸點開關才斷開電壓。在這種方式中，機電一體化開關接通負載的同時無觸點開關即電子開關也必然要接通負載進行工作，因此電子開關的工作時間比前者較長。
機電一體化開關用在高壓系統中時，由於其在高壓、超高壓條件下仍然具有良好的高壓滅弧性能，可以顯著地簡化甚至取消高壓開關熄弧裝置及相關機構的設計，故可使其成本降低，減輕甚至免除產生電磁幹擾和產品維護方面的困擾，提高其使用價值。
綜上所述，與單獨的有觸點開關或者單獨的無觸點開關比較，機電一體化開關的優點為1.能控性好。可以和電子開關一樣實現軟操作，既可滿足用電設備對軟操作的需要，又能限制di/dt、du/dt、降低對電網產生的衝擊；而單獨的有觸點開關無此能力；2.不但具有了有觸點開關的較強的抗幹擾能力、過載能力，而且因為操作過程中不產生電弧，不僅避免了有觸點開關的電弧所產生的發熱、觸頭焊死，而且使開關的結構簡化、效能提高；由於電子開關僅在開關通斷或斷通轉換的極短時間內工作(電子開關採用如圖3的串聯時除外)，發熱極為有限，因此電子開關散熱條件大為改善，還可免受外界幹擾；機電一體化開關延長了其中兩種開關的使用壽命，節能而且避免環境汙染，各項性能指標都得到提高；在高壓、超高壓電網中應用時效果尤其顯著；

圖1中的機電一體化開關KJ安裝在電動機定子繞組的電源端U、V、W上，它由三相電子開關KK和機械開關(例如具有常開觸點的接觸器)的常開觸點K1K2K3直接並聯而構成，KZ是其控制裝置，Kd是隔離開關。
圖2是零點開關形式的機電一體化開關KJ，它由三相電子開關KK和機械開關的常開觸點K1K2K3直接並聯而構成，KZ是其控制裝置，Kd是隔離開關。圖中O是電動機的零點，零點還可以接地。
圖3和圖2一樣也是零點開關形式的機電一體化開關KJ，但是它由三相電子開關KK和機械開關的常開觸點K1K2K3直接串聯而構成，KZ是其控制裝置。
圖4是機電一體化開關中之一相的結構原理圖。其中DC是動觸頭，JC是靜觸頭，CC是側觸頭，在動觸頭閉合的過程中將先與側觸頭接觸，然後才接觸靜觸頭；KK是電子開關，KZ是控制裝置。從圖可見它屬於有觸點開關的動、靜觸點與無觸點開關的串、並聯網絡組合。
圖5也是機電一體化開關中之一相的結構原理圖。其中DC是動觸頭，JC是靜觸頭，FC是輔觸頭，KK是電子開關，控制裝置KZ中還可包括傳感器。它也屬於有觸點開關的動、靜觸點與無觸點開關的串、並聯網絡組合。輔觸頭要比動觸頭先通後斷。
具體實施方式
對於採用接觸器作為控制器的傳統系統如在原有的直流接觸器的主觸點上並聯電子開關(例如用IGBT構成)，再加上微處理器即可構成機電一體化開關。這種機電一體化開關能控性好，可以消除直流電弧，還可以利用脈寬調製等技術實現對電動機端壓的連續調整實現無級調速；有很強的過載能力和抗幹擾能力，適合於直流調速、承擔衝擊負載，也十分安全可靠。使用於在軋鋼機、電氣機車等直流傳動系統中時可以獲得經濟、安全、可靠的效果，是很適合的。
機電一體化開關的實現方式還可以是集群方式。即如果將每一個機電一體化開關作為一個單元，那麼把兩個以上這樣相同的單元並聯起來作為一個大容量的開關，並且通過協同一致的動作來共同承擔起完成對電路的總負載電流的操作的任務，也就是用「螞蟻啃骨頭」的辦法用許多小設備集合起來共同完成一項比較巨大的任務。這樣藉助於小單元的大並聯的作用可以將總負載電流基本上均勻地分布在每個單元的機電一體化開關上(因並聯電路中各支路電流將與各個支路電阻的大小成反比，而在這裡各個支路的電阻大致平衡，故各支路的負載電流也大體平衡)，而各單元的機電一體化開關的磨損、發熱等涉及使用壽命的工作狀態也基本相同。由於每個單元的可靠性很高，而且各個單元還可以互為潛性備用，因此並聯後的單元集群的可靠性更高。
機電一體化開關的實現方式再如，作為高壓開關諸品種之一的真空斷路器在閉合接通電路時觸頭常常會因為產生彈跳而產生電弧，造成燒蝕觸頭甚至產生觸頭焊死的故障，以至造成電力系統的事故。那麼，針對這種情況，如果採用機電一體化開關就可很好地解決問題。即方案一在真空斷路器的動、靜觸頭之間直接並連接著電子開關再加上微處理器來構成機電一體化開關。其原理接線圖仍如圖1。此電子開關直接承擔著無電弧通斷負載和比真空斷路器觸頭先通後斷的任務即在接通的過程中，當動觸頭動作之前電子開關先行接通構成動、靜觸頭的旁路，然後動、靜觸頭才接通，此時動、靜觸頭之間即使彈跳也已無燃弧的可能；動、靜觸頭穩定閉合後電子開關被閉合的觸頭所短路而退出工作。在斷開的過程中當動觸頭充分打開之後電子開關才斷開旁路，因此在斷開的過程中動、靜觸頭之間也無燃弧的可能。可見，方案一的機電一體化開關能夠確保在通斷操作中都不產生電弧，從而徹底解決高壓電弧所帶來的一系列問題。但是，由於方案一的電子開關在斷開時仍然長期在高電壓的作用下，工作條件比較嚴酷，它同時對電子開關的各項技術指標提出了較高的要求。
方案二如圖4所示為有觸點開關和無觸點開關按照串並聯網絡組合在真空斷路器的動觸頭DC與靜觸頭JC之間的適當位置上設置著固定的側觸頭CC，側觸頭經過電子開關KK與靜觸頭相串連，再加上微處理器KZ就構成了機電一體化開關。側觸頭與靜觸頭之間的距離大於動觸頭彈跳的距離P，也大於在該電壓下在動、靜觸頭之間可能點燃電弧的動、靜觸頭最大距離L。在動觸頭閉合的過程中，動觸頭首先接觸側觸頭，而此時電子開關尚未導通，故動觸頭與側觸頭、動觸頭與靜觸頭之間都不可能產生電弧；然後，微處理器使電子開關導通而構成動與靜觸頭之間的旁路；動觸頭繼續運動至接觸靜觸頭時，即使動觸頭發生彈跳，由於已經存在旁路，故在動觸頭與靜觸頭之間都不可能產生電弧。而在觸頭穩定閉合之後，電子開關即使仍然導通也是處於被閉合的觸頭所短路的狀態而退出工作。同樣，在動觸頭斷開的過程中也不會產生電弧在動觸頭打開之初，由於動觸頭與靜觸頭之間仍然有經過側觸頭的旁路，所以動觸頭和靜觸頭之間不可能產生電弧；到動觸頭運行到與側觸頭即將分離時，微處理器才使電子開關斷開，此時雖然高壓重新加到動、靜觸頭之間，但是其距離已經大於距離L，而與側觸頭連接的電子開關也已斷開，故動觸頭與側觸頭、動觸頭與靜觸頭之間已經不可能再產生電弧；直到動觸頭完全打開電弧也不會重新點燃。這樣，機電一體化開關就徹底解決了觸頭通、斷及彈跳而產生電弧的問題。
方案三如圖5所示也是有觸點開關和無觸點開關按照串並聯網絡組合，把真空斷路器的動觸頭DC經過其輔觸頭FC與電子開關KK一端相串連、把靜觸頭與電子開關另一端相串連，再加上傳感器及微處理器KZ就構成了機電一體化開關。此開關在觸頭閉合的過程中首先使輔觸頭閉合，將尚未導通的電子開關與動觸頭連通；然後，當動觸頭運行到與靜觸頭之間距離減小到等於距離L或者距離P之前由微處理器、位置或者時間傳感器發出信號使電子開關導通以構成動、靜觸頭的旁路，此後即使動、靜觸頭之間距離減小到小於L或P但是由於已經被電子開關所短路而動、靜觸頭之間不可能產生電弧；故在動觸頭繼續運動直到與靜觸頭接通，即使動觸頭彈跳，但是由於已經存在電子開關的旁路，觸頭之間也不可能產生電弧。而在觸頭穩定地完成閉合之後，電子開關即使仍然導通也是處於被閉合的觸頭所短路的狀態而退出工作。開關斷開時的動作順序正好相反在動、靜觸頭之間達到距離L之前電子開關處於導通狀態，使正在打開的動、靜觸頭被導通的電子開關所旁路而不會產生電弧；當動觸頭打開到與靜觸頭之間超過規定的距離L時，由微處理器或傳感器給出的信號控制下電子開關才斷開，而此時由於動、靜觸頭之間的距離已經超過距離L，觸頭之間就已經不會再點燃電弧了。在此後才使輔觸頭打開，使已經斷路的電子開關與動觸頭之間再斷開，以隔斷經過動觸頭加到電子開關上的高電壓；最後動觸頭打開到規定位置而停止運動。由此可見，機電一體化開關可以可靠地避免在通、斷負載及在觸頭彈跳時產生電弧以及由它所引發的事故。能夠同樣承受高電壓的輔觸頭需要特殊設計，其作用是比動觸頭先通後斷。當然，輔觸頭的這種作用也可用其他開關及傳感器來替代。
如果再利用調節電子開關的導通角等辦法來調節Ud，實現高壓開關軟操作，則在操作中還能夠降低甚至消除對用電設備以及對高壓電網產生的電磁衝擊，從而還可以提高用電設備以及高壓電網的運行質量和可靠性。
總之，從上述方案可見，機電一體化開關可以徹底解決高壓電弧所帶來的一系列問題，因此機電一體化開關可以取消以真空斷路器為代表的高壓開關中相應的熄弧裝置、材料的設計，既可節能，又可免除環境汙染；同時，無須加快動觸頭運動的速度來縮短觸頭之間燃弧的時間和造成的影響，故動觸頭的動作速度也可大幅降低，使機構更加簡化，震動減小，穩定性更好；維護簡化，壽命延長；也不存在由於電弧引起的相間短路、對地短路的危險，因此開關的安全性能得以提高，結構尺寸、安裝尺寸可以降低，從而使機電一體化開關的整體構成大為簡化，各項性能指標得到大幅度的提高；同時，還能實現軟操作，避免產生操作過電壓，以提高用電設備運行的性能和和避免影響高壓電網的供電質量。如果機電一體化開關再採用零點開關的運行方式，則不但開關可以避免從電網傳入各種雜波的幹擾，絕緣和散熱問題也將可進一步改善。
當然，在機電一體化開關中的電子開關應該具有與電網特性和工作條件相適應的性能指標，才能滿足需要。可喜的是，迅速發展的電力電子技術已經能夠越來越全面地滿足這些要求。有報導說「第一個採用晶閘管閥的高壓直流(HVDC)輸電線路是1972年建成的依爾河(Eel River)電力系統，額定電壓DC80KV，傳輸功率350MW。我國於20世紀80年代中期建成第一條由舟山——鎮海的高壓直流(HVDC)，電壓100KV，輸送功率50MW輸電線路以來，葛洲壩——上海HVDC系統採用±500KV雙極聯絡線，額定容量1200MW線路；天生橋——廣州HVDC線路全長980KM，額定輸送功率1800MW，額定電流1800A，採用±500KV、12脈波雙極換流閥，……」。由此可見，目前電力電子技術既然已經達到可以以晶閘管「閥」、雙極換流「閥」的形式即作為電網中的一次元件的形式在高壓甚至超高壓電網中長期可靠運行的水平，那麼，使用當前最新的電力電子技術成果來幫助把真空斷路器等高壓開關改造成機電一體化開關，並且完成其相應的任務則不但是可能的，而且確實已經是現實可行的了。
權利要求1.作為高壓及低壓電器開關品種之一的機電一體化開關，其特徵是它是由接觸器之類的有觸點開關和可控矽、IGBT之類的無觸點開關甚至還可包括其它開關和傳感器的觸頭在內，在它們的觸頭上通過串並聯組合而構成的串並聯電路，並且這個串並聯電路接受包括傳感器、微處理器在內的它們的控制裝置的控制。
2.根據權利要求1所述的機電一體化開關，其特徵是其中的有觸點開關和無觸點開關相互結合的方式是有觸點開關和無觸點開關簡單的串聯或者並聯，即在有觸點開關的動、靜觸點上直接地與無觸點開關的兩極分別相連接以構成並聯電路；或在有觸點開關的動或者靜觸點的一極上直接地與無觸點開關的一極相連接以構成串聯電路。
3.根據權利要求1所述的機電一體化開關，其特徵是其中的有觸點開關和無觸點開關相互結合的方式是有觸點開關的動、靜觸點與無觸點開關甚至還可包括其它開關和傳感器的觸頭在內按照串並聯網絡組合，即在無觸點開關與有觸點開關的其他觸點如側觸頭、輔觸頭或其他開關或傳感器的觸點相串並聯後再與有觸點開關的動、靜觸點串並聯而實現的串並聯網絡電路。
專利摘要機電一體化開關是一種新型的電器開關。它由有觸點開關、無觸點開關和它們的控制裝置組合而成。如在接觸器的觸點K
文檔編號H01H9/30GK2786762SQ200520005260
公開日2006年6月7日 申請日期2005年3月7日 優先權日2005年3月7日
發明者黃群 申請人:黃群