CN103248349A

CN103248349A - 新型电子式交流接触器

Info

Publication number: CN103248349A
Application number: CN2013101811377A
Authority: CN
Inventors: 肖谋廷; 黄志刚; 蔡小艳
Original assignee: HUNAN HEAVY MACHINE MANUFACTURE CO Ltd
Current assignee: HUNAN HEAVY MACHINE MANUFACTURE CO Ltd
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103248349B

Abstract

一种新型电子式交流接触器，其特征在于包括固态开关及其保护电路，固态开关为每组搭载二个二极管和IGBT管，先反并联二极管和IGBT管后再串联组成的全控型固态开关，接C相的固定为公共不变，接A、B相的受PLC控制信号而变换电源相序，实现电机的正反转；保护电路由IC555时基电路、热敏电阻、调节电位器、电容、电磁继电器、直流电源组成，依靠改变电路阻抗值，阶跃地改变负荷电流和电压输出，完成电路的通断，从而保护电机和IGBT管。本发明在电机启动时具有延时、降压、限流的功效，符合安全平稳启动电机的特性，在IGBT全导通的状况基本上无功率消耗，是一种高效节能的电子式交流接触器。

Description

新型电子式交流接触器

技术领域

本发明涉及电子、电器及电气工程领域，特别地涉及一种大电流的电子无触点换相开关。

背景技术

现有国内外的交流接触器几乎都是有触点接触式开关，其构成的结构组件由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其它辅助机构组成，电磁机构中的电压线圈的得电与失电是控制其触点通、断的核心部件。特别是在现有电气自动化的工业生产中，现有的交流接触器更显得弊病突出，如大电流负载频繁切换造成主触点烧坏易造成接触不良故障，尤其是在有电机正反方向运行的生产中，必须要同时配备正反方向运行的两个接触器来回切换，虽然有灭弧装置，但因触点通、断的机械动作频率的间隙不能完全消除火花，无论是触点的使用寿命、运行的可靠性都会有着一定的影响。

现有无触点开关分为磁放大器式无触点开关，电子管、离子管式无触点开关和半导体无触点开关。各种无触点开关的内部结构不同，开关特性也有所不同。磁放大器式无触点开关体积与重量较大且电流转换速度慢，已较少采用；电子管、离子管式无触点开关由于电子管、离子管的功率不能做得很大，在实际应用中受到了很大的限制；半导体无触点开关是借电路中半导体器件的可控导通性来实现电路通断，具有良好的应用前景。尽管已开发有晶闸管作为回路通断元件的电子开关，但至今还是没有一个功能完整的电子式交流接触器。

发明内容

本发明目的在于提供一种功能完整、便于切换、适应交流回路通断、具有过载保护的电子式无触点交流接触器，是一种安全可靠、节能高效、多功能、无触点的电子式交流接触器。

本发明采取的具体技术方案为：

一种新型电子式交流接触器，其特征在于包括固态开关及其保护电路，固态开关为每组搭载二个二极管和IGBT管，先反并联二极管和IGBT管后再串联组成的全控型固态开关，其在三相交流电路中，接C相的固定为公共不变，接A、B相的受PLC控制信号而变换电源相序，实现电机的正反转；保护电路由IC555时基电路、热敏电阻、调节电位器、电容、电磁继电器、直流电源组成，依靠改变电路阻抗值，阶跃地改变负荷电流和电压输出，完成电路的通断，从而保护电机和IGBT管。

所述的IGBT管，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。通过加正向栅极电压形成沟道，给晶体管提供基极电流，使IGBT管导通；反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT管关断。

所述的IGBT管，与二极管在大功率负载应用时采用分立元器件组合，但随着现代科技水平的发展也可集成在同一个晶圆上面，引入场终止技术和沟道栅技术，使饱和导通压降减少，减小导通损耗，实现逆向导通，为逆程电压提供通路。

所述的固态开关，由五组反并联二极管和IGBT管组成，每组由二个二极管和二个IGBT管组成，即每个二极管和IGBT管反并联再串联接入电路，也就是说一个二极管正极和一个IGBT管的源极（又称发射极）连接，而该二极管的负极和另一个IGBT管的漏极连接，再将由IGBT管和二极管并联组成的电路串联，IGBT管的栅极作为PLC控制信号的输入端。

当PLC输出电机正转信号时，接A相的第一组IGBT管的两个栅极、接B相的第三组IGBT管的两个栅极、接C相的第五组IGBT管的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通；当PLC输出电机反转信号时，接A相的第四组IGBT管的两个栅极、接B相的第二组IGBT管的两个栅极、接C相的组第五组IGBT管的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通，外接电机随A、B相的切换而改变旋转方向。

其导通路径是：当交流电正半周时，电流从第一组A相流入，因前级IGBT管的栅极有控制信号而导通，与其并联的二极管因加反向输入电压而截止，与其串联的后级二极管因加正向电压而导通；当交流电负半周时前级二极管加正向电压而导通，而与其串联的后级二极管因加反向电压而截止，因后级IGBT管的栅极有控制信号而导通，从而完成交流电的全导通。B、C相的工作路径及原理如同所述。

所述的IC555时基电路，是一种将模拟电路和数字电路结合在一起的混合式集成电路，一般由二个比较器、一个基本RS触发器、一个反相缓冲器、一个三极管和三个5kΩ电阻组成，可以采用4．5～15V的单独电源，也可以和其它的运算放大器和TTL电路共用电源，能提供准确的定时时间。

所述的保护电路中，热敏电阻安装在IGBT散热板中，调节电位器使热敏电阻在电机过载、线路电流增大引起IGBT管温度超高时，自动控制IC555时基电路中与电磁继电器相连的一个脚端输出控制电压，使电磁继电器得到电压而动作，进而使其接入控制主电路的IGBT管栅极电路的常闭触点断开，常开触点闭合使加入IGBT栅极的PLC直流控制电压为负电压，所有工作的IGBT管迅速从导通变为截止，从而切断进入电机的三相电源，使IGBT模块和电机都得到保护。待故障恢复时，外部的PLC有直流信号电压输出，又能自动接通三相电源，使IGBT模块和电机投入正常工作。

所述的PLC为输出直流控制信号的可编程控制器，也可以用手动人工设置直流信号电压来替代。利用PLC输出信号，直流电源控制IGBT管栅、源之间的直流信号电压，从而控制IGBT管导通与截止的顺序及单元数量，实现变换任意两相电源的相序，满足电机实现正反转功能。

本发明采用IGBT管替代现有交流接触器的机械触点，并将其与搭载的二极管反并联共同组成大功率固态开关，也可将二者集成在同一个晶圆上面，实现逆向导通，能准确地切换电源相序使电机实现正反转工作运行；同时采用IC555时基电路作为保护电路，在电机过载、IGBT管温度过高时，能快速断开三相电源，及时保护IGBT管和电机，待故障恢复后又能自动接通三相电源，特别是在电机启动时具有延时、降压、限流的功效，符合安全平稳启动电机的特性，在IGBT管全导通的状况基本上无功率消耗，是一种高效节能的电子式交流接触器。

该新型电子式交流接触器无机械触点，因没有现有交流接触器的线圈电压，使得外围的控制电路简单，也基本无功率消耗。其在电磁兼容性、可靠性、安全性等方面的优越性是触点开关无法比拟的，避免因电流过大出现火花或在高电压电路中击穿空气，造成误动作。本发明不但弥补了现有机械式触点接触不良等故障，还具有过载保护功能，因IGBT管开通的动态特性，更有利于电机的降压限流启动。根据外接负载的类型，合理选择IGBT管及辅助元器件，可制作多种功率不同的电子式交流接触器。

此外，本发明的有益效果还包括：（1）寿命长，机械触点式分断时起弧、触头磨损，该新型电子式交流接触器没有磨损，导通和关断时不出现电弧或火花。（2）动作迅速，工作频率高，机械触点式为4~10工频周波，该新型电子式交流接触器<10ms。（3）可靠性高。（4）使用安全，适合防火、防爆、防潮等特殊环境使用。（5）电磁干扰小。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，其与实施例不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1本发明的主电路图。

图2本发明的保护电路图。

标号说明：1、电机；2、PLC；3、IGBT管；4、二极管；5、漏极D；6、源极S；7、调节电位器；8、IC555时基电路；9、热敏电阻；10、电容；11、电磁继电器；12、常闭触点；13、常开触点；

31、栅极G1；32、栅极G2；33、栅极G3；34、栅极G4；35、栅极G5；36、栅极G6；37、栅极G7；38、栅极G8；39、栅极G9；310、栅极G10；

1’、2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’为IC555时基电路的各端口。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明的解决方案在于提供了一种新型电气设备切换的IGBT型固态开关控制技术，其主电路组成如图1所示：

一种新型电子式交流接触器，其特征在于包括固态开关及其保护电路，为每组搭载二个二极管（4）和IGBT管（3），先反并联二极管（4）和IGBT管（3）后再串联组成的全控型固态开关，其在三相交流电路中，接C相的固定为公共不变，接A、B相的受PLC（2）控制信号而变换电源相序，实现电机的正反转；保护电路由IC555时基电路（8）、热敏电阻（9）、调节电位器（7）、电容（10）、电磁继电器（11）、直流电源组成，依靠改变电路阻抗值，阶跃地改变负荷电流和电压输出，完成电路的通断，从而保护电机（1）和IGBT管。

所述的固态开关，由五组反并联二极管（4）和IGBT管（3）组成，每组由二个二极管（4）和二个IGBT管（3）组成，即每个二极管（4）和IGBT管（3）反并联再串联接入电路，也就是说一个二极管（4）正极和一个IGBT管（3）的源极（6）连接，而该二极管（4）的负极和另一个IGBT管（3）的漏极（5）连接，再将由IGBT管（3）和二极管（4）并联组成的电路串联，IGBT管（3）的栅极作为PLC（2）控制信号的输入端。

IGBT型固态开关控制电气设备切换的工作过程是：当PLC（2）输出电机（1）正转信号时，A相第一组IGBT管的栅极G1（31）、栅极G2（32），B相第三组IGBT管的栅极G5（35）、栅极G6（36），C相第五组IGBT管的栅极G9（39）、栅极G10（310）加入控制电压使其晶体管导通；其导通路径是：当交流电正半周时，电流从第一组A相流入，因前级IGBT管（3）的栅极G1（31）有控制信号而导通，与其并联的二极管（4）因加反向输入电压而截止，与其串联的后级二极管（4）因加正向电压而导通；当交流电负半周时前级二极管（4）加正向电压而导通、而与其串联的后级二极管（4）因加反向电压而截止，因IGBT管（3）的栅极G2（32）有控制信号而导通，从而完成交流电的全导通。B、C相的工作路径原理如同所述。当PLC（2）输出电机（1）反转信号时，A相第四组IGBT管的栅极G7（37）、栅极G8（38），B相第二组IGBT管的栅极G3（33）、栅极G4（34），C相第五组IGBT管的栅极G9（39）、栅极G10（310）加入控制电压使其晶体管导通，其工作原理如同上所述。外接电机（1）随A、B相的切换而改变旋转方向。

IGBT管是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种电压型控制器件，在它的栅极G和源极S（6）间加上十几伏的直流电压使其漏极D（5）和源极S（6）导通，在栅极G和源极S（6）间只有微安级的漏电流通过，基本上不消耗功率。根据IGBT管（3）工作的动态特性，IGBT管（3）在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET运动的，由于外接负载的接入使得漏源之间的电压下降，在下降后期使得晶体管由放大区进入饱和区，增加了延时时间，更加符合了电机（1）启动的特性，具有软启动的性质，因IGBT管（3）开通的时间、产生的压降更有利于电机（1）安全平稳启动，待电机（1）完全启动运行后，IGBT管（3）则进入全导通状态。

本发明采用的IGBT管（3）与搭载的二极管（4）还可以集成在同一个晶圆上面，引入场终止技术和沟道栅技术，使饱和导通压降减少，减小导通损耗，实现逆向导通，为逆程电压提供通路。

为保障IGBT安全运行而专门设置的保护电路如图2所示：

该电路由IC555时基电路（8）、热敏电阻（9）、调节电位器（7）、电容（10）、电磁继电器（11）、直流电源组成。热敏电阻（9）安装在IGBT散热板中，调节电位器（7）使热敏电阻（9）在电机（1）过载、线路电流增大引起IGBT管（3）温度超高时使IC555时基电路（8）23脚端输出控制电压，使电磁继电器（11）得到电压而动作，进而使其接入控制IGBT栅极G电路的常闭触点（12）断开，常开触点（13）闭合使加入IGBT栅极G的PLC（2）直流控制电压为负电压，所有工作的IGBT管（3）迅速从导通变为截止，从而切断进入电机（1）的三相电源，使IGBT管（3）和电机（1）都得到保护。

本发明的外部控制是采用自动化编程的PLC（2）输出直流信号电压控制IGBT栅极与源极的电压大小和极性，在不具备自动化程序的条件下也可以采用手动人工方式控制。

图2的保护电路中，PLC（2）输出给图1主电路五组IGBT管（3）栅极的直流控制信号电压，当PLC（2）输出正常的标准信号电压时，图1主电路五组IGBT管（3）栅、源极的正向导通控制电压是通过图2保护电路的电磁继电器（11）的常闭触点（12）接入；当发生故障时，因保护电路中的电磁继电器（11）动作，常闭触点（12）断开、常开触点（13）接通，便将图2中的PLC（2）控制电压变换极性反向接入图1主电路五组IGBT管（3）的栅极，使栅极与源极（6）加反向直流电压而使IGBT管（3）截止，起到保护外电路负载和自身IGBT管（3）的作用。

本发明中，PLC（2）供给所有IGBT栅极G电源，所有IGBT管（3）的栅极都是并联同时供电的。除了上述实施例外，本发明还有其他形式的变化，在未脱离本发明的设计精神，本领域普通技术人员对本发明方案作出的各种变形、改进、润饰，均落入本发明权利要求书确定的范围。

Claims

1.一种新型电子式交流接触器，其特征在于包括固态开关及其保护电路，固态开关为每组搭载二个二极管和IGBT管，先反并联二极管和IGBT管后再串联组成的全控型固态开关，接C相的固定为公共不变，接A、B相的受PLC控制信号而变换电源相序，实现电机的正反转；保护电路由IC555时基电路、热敏电阻、调节电位器、电容、电磁继电器、直流电源组成，依靠改变电路阻抗值，阶跃地改变负荷电流和电压输出，完成电路的通断，从而保护电机和IGBT管。

2.根据权利要求1所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于当PLC输出电机正转信号时，接A相第一组的IGBT管中的两个栅极、接B相第三组的IGBT管中的两个栅极、接C相第五组的IGBT管中的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通；当PLC输出电机反转信号时，接A相第四组的IGBT管中的两个栅极、接B相第二组的IGBT管中的两个栅极、接C相第五组的IGBT管中的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通，外接电机随A、B相的切换而改变旋转方向。

3.根据权利要求1所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于所述的固态开关，由五组反并联二极管和IGBT管组成，一个二极管正极和一个IGBT管源极连接，而该二极管负极和另一个IGBT管漏极连接，再将由IGBT管和二极管并联组成的电路串联，IGBT管的栅极作为PLC控制信号的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于所述的IGBT管由BJT和MOSFET组成，通过加正向栅极电压形成沟道，给晶体管提供基极电流，使IGBT管导通；通过加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT管关断。

5.根据权利要求1所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于所述的IGBT管与搭载的二极管采用分立元器件组合，或集成在同一个晶圆上面，实现逆向导通。

6.根据权利要求1所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于所述的保护电路中，热敏电阻安装在IGBT散热板中，调节电位器能使IC555时基电路中与电磁继电器相连的一个脚端输出控制电压，使电磁继电器得电，进而使其接入控制主电路IGBT栅极电路的常闭触点断开，常开触点闭合使加入IGBT栅极的PLC直流控制电压为负电压，工作的IGBT从导通变为截止；待故障恢复时，PLC有直流信号电压输出，又能自动接通三相电源，使IGBT和电机投入正常工作。

7.根据权利要求6所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于利用PLC输出信号或手动人工设置信号，直流电源控制IGBT管栅、源之间的直流信号电压，从而控制主电路IGBT管导通与截止的顺序及单元数量，实现变换任意两相电源的相序。

8.根据权利要求6所述的一种新型电子式交流接触器，其特征在于所述的IC555时基电路，由二个比较器、一个基本RS触发器、一个反相缓冲器、一个三极管和三个电阻组成，将模拟电路和数字电路集成在一起。

9.一种权利要求1所述的新型电子式交流接触器的电气设备切换控制技术，其特征在于当PLC输出电机正转信号时，接A相第一组的IGBT管中的两个栅极、接B相第三组的IGBT管的两个栅极、接C相第五组的IGBT管中的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通；当PLC输出电机反转信号时，接A相第四组的IGBT管中的两个栅极、接B相第二组的IGBT管中的两个栅极、接C相第五组的IGBT管中的两个栅极加入控制电压使其晶体管导通，外接电机随A、B相的切换而改变旋转方向。

10.一种权利要求1所述的新型电子式交流接触器的保护电路，其特征在于热敏电阻安装在IGBT散热板中，调节电位器能使热敏电阻自动控制IC555时基电路中与电磁继电器相连的一个脚端输出控制电压，使电磁继电器得电，进而使其接入控制主电路IGBT栅极电路的常闭触点断开，常开触点闭合使加入IGBT栅极的PLC直流控制电压为负电压，工作的IGBT从导通变为截止；待故障恢复时，PLC有直流信号电压输出，又能自动接通三相电源，使IGBT和电机投入正常工作。