一種雙路輸入的三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)

梁 驍，徐小平，邵海軍，全海兵，何 興

一種雙路輸入的三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)

梁 驍1，徐小平2，邵海軍2，全海兵1，何 興1

（1. 江蘇寶科電子有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009；2. 國營第5308廠，江蘇揚(yáng)州 225009）

研制了一種采用單片機(jī)控制的雙路輸入三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)，它將雙向切換開關(guān)、單片機(jī)、雙向可控硅、功率繼電器與交流接觸器有機(jī)地結(jié)合在一起，吸取了這三種功率開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，避開了各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)聯(lián)合，達(dá)到了平時(shí)正常供電與戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電這兩種工作模式的可靠控制和兼容輸出，滿足了供電需求。

雙向切換開關(guān) 雙向可控硅 功率繼電器 交流接觸器

0 引言

某船用通信組合機(jī)柜交流電控裝置需要輸入兩路呈互補(bǔ)關(guān)系的交流電：第一路是平時(shí)正常供電電路。發(fā)電機(jī)發(fā)出的220 V正弦波交流電，經(jīng)過直流電源及單片機(jī)控制電路控制的交流穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，提供給負(fù)載。

第二路是戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路。在戰(zhàn)爭環(huán)境中，一旦交流穩(wěn)壓電路或者相應(yīng)的直流電源及單片機(jī)控制電路等產(chǎn)生故障，第一路無220 V交流電輸出時(shí)，只要船用發(fā)電機(jī)發(fā)電正常，設(shè)備必須能夠容忍平時(shí)正常供電電路出現(xiàn)的故障，將“正常—應(yīng)急”切換開關(guān)切換到戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路，就可以繼續(xù)給通信設(shè)備供電。待戰(zhàn)后再對(duì)第一路的故障進(jìn)行修理，滿足戰(zhàn)時(shí)通信的應(yīng)急需要。

這就是說，該設(shè)備除了需要設(shè)計(jì)平時(shí)正常供電電路以外，很重要的一點(diǎn)是，還需要設(shè)計(jì)一種終端開關(guān)，該終端開關(guān)應(yīng)該能對(duì)平時(shí)正常供電與戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電這兩種工作模式，都能進(jìn)行可靠的控制和兼容輸出[1]。

該設(shè)備要求輸出功率大，并做到：電路簡單易行，穩(wěn)妥可靠。為此開發(fā)了一種由單片機(jī)控制的雙路輸入三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)。

1 技術(shù)方案

1.1 主要組成

該雙路輸入的三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)由雙向切換開關(guān)電路、直流電源及單片機(jī)控制電路、開關(guān)器件電路等三部分組成。電子開關(guān)原理方框圖見圖1，電子開關(guān)電路原理圖見圖2。

這里“雙路輸入”是指平時(shí)正常供電和戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電的交流輸入。“三結(jié)合”是指：大功率雙向可控硅、功率繼電器、交流接觸器這三種功率開關(guān)器件的結(jié)合[2]。

1.2 主要連接關(guān)系

雙向切換開關(guān)K1的1腳與輸入交流火線相連，2腳與直流電源及單片機(jī)控制電路相連，3腳與交流接觸器K2線包的A1(L)相連。

開關(guān)器件電路由大功率雙向可控硅S0、功率繼電器J1、交流接觸器K2三種功率開關(guān)器件和輔助元件組成；雙向可控硅與功率繼電器，交流接觸器與功率繼電器，兩兩相連：雙向可控硅S0的T1腳與交流穩(wěn)壓電路的輸出相連，T2腳與功率繼電器J1的常開靜觸點(diǎn)2相連；功率繼電器J1的常閉靜觸點(diǎn)3與交流接觸器K2的3、4腳相連；功率繼電器J1的動(dòng)觸點(diǎn)1與負(fù)載相連。

圖1 電子開關(guān)原理方框圖

圖2 電子開關(guān)電路原理圖

1.3 兩路交流電的走向

第一路平時(shí)正常供電電路。雙向切換開關(guān)K1撥向上，電源從雙向切換開關(guān)2腳到直流穩(wěn)壓電源及單片機(jī)控制電路，給電路提供低壓直流電源和各種控制信號(hào)，分別控制交流穩(wěn)壓電路工作和雙向可控硅S0、功率繼電器J1的打開。220 V交流電經(jīng)交流穩(wěn)壓電路后，交雙向可控硅S0、功率繼電器J1，最后經(jīng)J1的動(dòng)觸點(diǎn)1腳輸出給負(fù)載。

第二路戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路。雙向切換開關(guān)K1撥向下，火線從雙向切換開關(guān)3腳經(jīng)交流接觸器的線包與零線相連，直接打開交流接觸器。由于交流接觸器的3、4腳與功率繼電器的常閉靜觸點(diǎn)3腳相連，而此時(shí)功率繼電器處于閉合狀態(tài)，故交流電可以直接通過其動(dòng)觸點(diǎn)1腳輸出給負(fù)載。由于戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路通常只有在戰(zhàn)時(shí)第一路發(fā)生故障無220 V交流電輸出時(shí)才使用，無需頻繁啟動(dòng)，故直接采用了交流接觸器[3]。

1.4 雙向可控硅和功率繼電器的打開與關(guān)閉的時(shí)序

雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)電路由過零觸發(fā)MOC3041光電耦合器W1和三極管V1、電阻R1、R3、R4、R5等組成；功率繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由電阻R7、三極管V3、二極管V2等組成［4］。雙向可控硅和功率繼電器串聯(lián)在交流電路回路里。雙向可控硅和功率繼電器的打開與關(guān)閉的時(shí)序［5、6］受直流電源及單片機(jī)控制電路控制。

電子開關(guān)需打開時(shí)，單片機(jī)控制電路先在Q點(diǎn)輸出高電平信號(hào)，使V3導(dǎo)通，打開功率繼電器J1；然后延時(shí)20 ms，在R點(diǎn)輸出高電平信號(hào)，使V1導(dǎo)通，給過零觸發(fā)光電耦合器MOC4031提供15 mA持續(xù)電流，在交流正弦波的零點(diǎn)打開雙向可控硅，有效地減少了干擾。

電子開關(guān)需關(guān)閉時(shí)，單片機(jī)控制電路先將R點(diǎn)高電平下降為低電平，關(guān)閉雙向可控硅；再延時(shí)10ms，將Q點(diǎn)高電平下降為低電平，關(guān)閉功率繼電器。

開關(guān)控制時(shí)序圖見圖3。

圖3 開關(guān)控制時(shí)序圖

可見，這種雙向可控硅和功率繼電器的串聯(lián)電路，其打開與關(guān)閉的時(shí)序關(guān)系遵循了一種“繼電器先開后關(guān)，雙向可控硅后開先關(guān)”的原則。

由于繼電器先開后關(guān)，雙向可控硅后開先關(guān)，所以功率繼電器的切換過程都是在不通電的條件下進(jìn)行的，使大功率繼電器在打開與關(guān)閉的過程中成為一種無火花的長壽命繼電器［7］。

2 有益效果

雙向切換開關(guān)K1撥向上，其1腳與2腳相連時(shí)，即打開了第一路平時(shí)正常供電電路的輸入；雙向切換開關(guān)K1撥向下，其1腳與3腳相連時(shí)，即打開了第二路戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路的輸入。給平時(shí)正常供電電路供電時(shí)，停止給戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急電路供電；給戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路供電時(shí)，停止給平時(shí)正常供電電路供電。兩路交流，相互隔離，互不干擾。

交流接觸器K2線包的A1(L)腳與火線相連，A2(N)腳與零線相連，這樣，交流接觸器便直接受雙向切換開關(guān)控制：雙向切換開關(guān)K1撥向下，其1腳與3腳相連時(shí)，在打開第二路戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電輸入的同時(shí)便打開了交流接觸器。應(yīng)急供電電路工作時(shí)，交流接觸器的3、4腳與功率繼電器的常閉靜觸點(diǎn)3腳相連，當(dāng)?shù)谝宦菲綍r(shí)正常供電電路出現(xiàn)故障時(shí)，常閉靜態(tài)觸點(diǎn)3腳一直與動(dòng)觸點(diǎn)1腳連接在一起，不存在火花，也就無需軟啟動(dòng)。繼電器只有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)開，一個(gè)關(guān)，兩路輸出共用其動(dòng)觸點(diǎn)1腳輸出，互不干擾，電路簡單可靠。

大功率雙向可控硅的采用，保證了大電流的無觸點(diǎn)切換。

功率繼電器與大功率雙向可控硅、交流接觸器的聯(lián)合采用和巧妙的連接關(guān)系，避開了雙向可控硅斷開時(shí)仍然有靜態(tài)電流的帶電狀態(tài)和有時(shí)還存在關(guān)不斷的現(xiàn)象［2］；避開了功率繼電器通電帶載吸合時(shí)存在火花及拉弧現(xiàn)象，特別是大電流時(shí)，多次頻繁工作后，觸點(diǎn)容易磨損、燒結(jié)，造成接觸不可靠，出現(xiàn)彈不開或者吸不上的現(xiàn)象；避開了交流接觸器啟動(dòng)電流大，頻繁啟動(dòng)時(shí)容易被卡住而燒毀線圈的現(xiàn)象。

整體電路除了繼電器、交流接觸器外，其它器件都可以制作固化成一個(gè)開關(guān)模塊，使用方便。

3 結(jié)論

不同的設(shè)計(jì)要求，要對(duì)應(yīng)采用不同設(shè)計(jì)方法。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將平時(shí)正常供電電路，戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急供電電路，用雙向切換開關(guān)分開控制；雙向可控硅與功率繼電器，交流接觸器與功率繼電器，兩兩相連；平時(shí)正常供電電路，采用雙向可控硅和功率繼電器相串聯(lián)，其開、關(guān)通過時(shí)序控制；兩路共用一個(gè)功率繼電器通道輸出，電路簡潔易行，穩(wěn)妥可靠。

雙路輸入的三結(jié)合交流大功率電子開關(guān)，揚(yáng)長避短，取長補(bǔ)短，互補(bǔ)了功率開關(guān)器件的優(yōu)缺點(diǎn)，恰到好處地運(yùn)用于本設(shè)計(jì)所需求的場(chǎng)合，滿足了設(shè)計(jì)要求。

[1] 一種雙路自動(dòng)轉(zhuǎn)換供電的船用分電箱[P]. 中國專利, CN20172 1499971.0.2018-05-15

[2] 徐登科. 新型智能復(fù)合開關(guān)[J]. 電工技術(shù), 2002, (11): 47.

[3] 林文生. 智能混合式交流接觸器的設(shè)計(jì)與研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.

[4] 陳歡. 新型晶閘管觸發(fā)裝置的仿真與設(shè)計(jì)[D]. 湖南工業(yè)大學(xué), 2015.

[5] 陳天錫, 毛元偉, 吳毅等. 新型智能復(fù)合開關(guān)的研究[J]. 湖北電力. 2008, (10): 30 -32.

[6] 李書旗田松亞. 高效無功補(bǔ)償投切開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 機(jī)械與電子, 2009, (3): 43 -45

[7] 任曉霞, 林春陽, 劉向軍. 基于單片機(jī)控制的42 V混合式汽車?yán)^電器[J]. 低壓電器, 2008, (3): 29 -32.

A Three-in-one AC High-power Electronic Switch with Dual Input

Liang Xiao1, Xu Xiao Ping2, Shao Hai Jun2, Quan Hai Bing1, He Xing1

（1. Jiangsu Baoke Electronics Co. Ltd, Yangzhou 225009, Jiangsu; China; 2. State-owned No.5308 Factory, Yangzhou 225009, Jiangsu, China）

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TM564

A

1003-4862（2019）10-0022-03

2019-03-20

梁驍（1987-），男，工程師，從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。E-mail: 56952668@qq.com