交流无弧开关电器 所属技术领域：
本发明涉及一种交流无弧开关电器。
背景技术：
开关电器的工作是开通或关断工作电路，在关断电路时产生的电弧及其熄灭是开关电器工作时面临的主要问题，容量愈大则灭弧愈困难，因此熄灭电弧是开关电器技术问题的中心和关键所在。现有的开关电器着眼于“灭弧”，也就是在开关电器关断电路产生电弧时，设法予以熄灭。在交流电路中灭弧的最佳时机是在交流电流过零时使开关电器关断，电网的工作频率一般为50HZ或60HZ，也就是在每秒钟内电流要过零100次或者120次。由于电流过零的时间极其短暂要恰好在此瞬时实现关断是难以做到的，若将电流过零点附近例如在±10°(电角度)范围内认为是适合关断地角度，那么在电流波形半个周期180°范围内一次过零时，只有±10°，即20°的范围适合关断。在50HZ的频率下，开关电器关断时间的精度要达到一秒钟的百分之一再乘以20/180，即0.01秒乘以1/9，近似为0.001秒。由于开关电器的操作机构是机械机构，材料、工艺、制造上有一定的离散性与分布性，要使其动作时间精度达到千分之一秒的要求基本上是不可能的。
因此，目前的基本矛盾是：虽然电子技术的检测速度很快，精度很高，能够迅速测出电路中电流的过零点并予以反馈，但机械动作机构却无法准确地在过零点动作，稍有偏差就有可能在电流峰值附近关断，产生很大的电弧使灭弧相当困难。对于比单相交流开关电器应用更广的三相交流开关电器来说，三相交流电流的相位顺序相差120°，不可能同时过零，给灭弧带来更大的困难。
目前电力电子器件发展很快，虽然它在检测和关断的速度上能达到要求，但由于电路开通时元件功耗大，尤其是高电压大电流时，功耗、散热问题突出，以及存在成本高、可靠性不如传统开关电器等不足，故无法取代传统开关电器。
综上所述，交流开关电器工作的要点是在电流过零的时候可靠地关断电路，现有的交流开关电器由于上述各种原因其灭弧效果未臻理想。
发明内容：
本发明专利的目的是要提供一种交流无弧开关电器，它可在不产生电弧的情况下切断工作电路的电源。
本发明是这样构成的：包括串接于主电路中的导体；与导体共同构成反相感应电流发生器的铁芯，主绕组、辅助绕组与移相元件；开关的执行主触点；以及具有以工作电流感应自锁、并在工作电流过零后开锁功能的控制电路。所述铁芯由导磁材料冲片叠压而成，布设为若干对围绕在导体周围的磁极，主绕组和辅助绕组以互相正交的位置分别绕制在不同对磁极上，主绕组与辅助绕组的一个同名端相连，辅助绕组的另一端联接移相元件，并从移相元件的另一端与主绕组的另一端相连。所述控制电路的控制电流在按下关断按钮后由工作电流的分流提供，控制电流在反相感应电流发生器内产生旋转磁场并在导体中感应出与分流后的工作电流大小相等、相位相反(差180°)的反相感应电流，于是与工作电流互相抵消使主电路中电流为零。控制电路在检测到主电路电流过零后即断开执行主触点，从而实现电路的无弧关断。
本发明应用电磁感应的原理，在关断电路前以反相感应电流与工作电流在主电路中相互抵消，于是在主电路中形成一个电流为零的时间段。这一时间段远比每秒100次的电流瞬时过零点长得多，足以满足开关电器的机械动作时间精度要求，从而达到采用机械操作机构的执行主触点可以在这段时间内从容而有效的关断电路之目的。电路在无电流的情况下关断自然不会产生电弧。
也就是说，在要关断电路时，先“令电流为零”，再予以关断。
较之已有的交流开关电器装置而言，本发明由于采用了电磁感应的原理，克服了因电流瞬时过零点时间太短难以控制的缺点，变“灭弧关断”为“无弧关断”，是一种全新意义上的开关电器。它既保留了传统开关电器机械结构的稳定可靠的优点，又具备了传统开关电器所不具有的无弧关断的特点，因此不仅能保证可靠的技术性能，大幅提高产品的使用寿命，并且使产品的质量和科技含量提高到崭新的档次，是一种新颖的开关电器。
附图说明：
图1是反相感应电流发生器的结构图。
图2是反相感应电流发生器的等效电路原理图。
图3是反相感应电流发生器内的电流矢量关系图。
图4是反相感应电流发生器内主、辅绕组的感应电流矢量合成和工作电流的关系图。
图5是工作电流、反相感应电流波形及其合成图。
图6是实施例一电路图。
图7是实施例二电路图。
附图1、2中：Wg表示主绕组、表示主绕组电流、Wf表示辅助绕组、表示辅助绕组电流、T表示铁心、L表示导体、δ表示绝缘层、R-L-C表示移相元件、D1表示定子时轴、D2表示转子时轴、表示控制电流，表示工作电流、表示反相感应电流、RL表示负载阻抗、Ry表示分流电阻。其余图中之符号在结合叙述时说明。
具体实施方式：
(一)反相感应电流发生器的说明：
图1是反相感应电流发生器的横截面结构示意图，包括导体，铁芯与主、辅助绕组。图2是反相感应电流发生器的等效电路原理图，包括导体，铁芯与主、辅助绕组。导体串接在主电路中，是主电路的一部分，导体与铁芯间以绝缘层隔离，导体以周围伸出凸齿的方式径向固定在铁芯中。由于包容导体的表面积有限，故铁芯一般采取两(对)磁极结构，两极结构的主绕组(工作绕组)成对放置，在与其正交(垂直)的位置布置辅助绕组(副绕组)，辅助绕组根据需要可串入阻抗元件，阻抗元件的作用主要是移相。当主、辅助绕组有电流通过时，铁芯中就会有感应磁场产生，由于绕组匝数的不同以及移相元件的作用，使主绕组和辅助绕组电流产生的磁通相位不同，这就相当于在空间中产生了两相旋转磁场。两相旋转磁场相对静止不动的导体而言，相当于导体在切割磁场的磁力线，于是就有感生电流流过导体的截面。可以通过选择电路的各种参数使导体中感应出的电流与工作电流大小相等、相位相反，也就相当于在主电路中形成了一个反相感应电流来和工作电流相抵消，此时主电路中电流为零。交流开关电器在电流为零时关断电路，就能实现无弧关断。
上述反相感应电流发生器的结构原理和交流感应异步电动机有相通之处，因此可以从电工学和电机学理论的角度，分析工作电流、控制电流与反相感应电流之间的关系。
在图3中，为定子(绕组)电压，为定子电流(主、辅助绕组的合成电流)，为定子的负载分量，即有功电流(主、辅助绕组合成)，为转子(导体)电流，为交链定、转子的磁通，θ是定子(绕组)时轴D1与转子(导体)时轴D2之间的夹角。其他矢量与本分析无关故未标出。从上述矢量关系图可导出如下公式：
I.2=-kI.1L]]>(式1)
从这个关系式可以看到，转子电流与定子有功电流反相，k为系数，与电路各元件的参数有关，的绝对值与k及成正比。
由于矢量分析中定子时轴D1与转子时轴D2的相位差θ，以及电路中各种分布参数的影响等等，使得仅有主绕组作用时所感应出的导体中反电流相位与工作电流相位的角度差并不刚好反相——即二者相差180°，而是在接近但又不到180°的范围之内。这个角度差可以通过辅助绕组的作用得到弥合，经过计算、实验，选择适当的辅助绕组匝数或者在辅助绕组上联接适当的阻抗元件，使得辅助绕组电流和主绕组电流拉开一个相位差，二者分别在导体中感生电流和由和合成的与主电路中的工作电流正好反相，如图4所示。
辅助绕组除了上述移相作用外，还和主绕组一起构成了两相旋转磁场，使静止的导体在其中切割磁力线，这样形成的两相旋转磁场的椭圆度较大，造成导体中的感应电流很大，但对导体产生的电动力矩却较小，恰好满足我们的需要。
(二)本发明实施例构造及工作过程说明：
如附图所示，交流无弧开关电器包括串接于主电路中的导体；与导体共同构成反相感应电流发生器的铁芯，主绕组(工作绕组)、辅助绕组(移相绕组)与移相元件；开关的执行主触点；以及具有以工作电流感应自锁、并在工作电流过零后开锁功能的控制电路。所述铁芯由导磁材料冲片叠压而成，布设为若干对围绕在导体周围的磁极，主绕组和辅助绕组以互相正交的位置分别绕制在不同对磁极上。主绕组与辅助绕组的一个同名端相连，辅助绕组的另一端联接移相元件，并从移相元件的另一端与主绕组的另一端相连。
所述的控制电路的特征是：包括开通按钮SB1、关断按钮SB2、分流电阻Ry、主线圈KT以及具有以工作电流感应自锁、并在工作电流过零后开锁功能的控制结构，其具体构成结合实施例予以说明。
图5是本发明实施例一的工作电路图(以单相交流开关电器为例，三相交流开关电器与此原理相同)：包括串接于主电路中的导体；与导体共同构成反相感应电流发生器的铁芯，主绕组、辅助绕组与移相元件；开关的执行主触点。其控制电路包括开通按钮SB1，关断按钮SB2，分流电阻Ry，以互感方式感应主电路电流的感应线圈A、控制线圈A和常开触点A，主线圈KT。开通按钮SB1与常开触点A并联，一端与电源相连接，另一端分为二路，一路串接主线圈KT后接到电源的另一端，另一路接到关断按钮SB2的一端。关断按钮SB2的另一端接到分流电阻Ry的一端，分流电阻Ry的另一端接到主绕组的一端，主绕组与辅助绕组在这一端以同名端相连；辅助绕组的另一端联接移相元件，并从移相元件的另一端与主绕组的另一端相连，主绕组的另一端接到电源的另一端。执行主触点KT串接在主电路中，控制线圈A并接在感应线圈A两端。其工作过程为：
开：按下开通按钮SB1，线圈KT得电，执行主触点KT闭合，主电路通电后感应线圈A得电使控制线圈A得电，于是常开触点A闭合，并将控制电路自锁，使SB1复位后主线圈KT始终得电以保证执行主触点KT一直闭合。
关：按下关断按钮SB2，主绕组和辅助绕组得电产生旋转磁场，这时通往主、辅助绕组的控制电流与通过执行主触点的工作电流的相位相同，实际上就是工作电流的“采样”，可以通过矢量的控制和转换以控制电流在导体中产生一个和工作电流大小相等、相位相差180°的“反相感应电流”与工作电流相抵消，于是在主电路中产生一个电流过零的时间段。感应线圈A在电流过零时失电引起控制线圈A失电，常开触点A打开，于是主线圈KT失电，机械操作机构立即动作将执行主触点KT打开，在工作电路电流过零并有一个足够长的时间段时，开关关断电流为零的电路便不会产生电弧。
当各技术参数适当设置后，由于反相感应电流发生器等效于转子静止的异步电动机，导体(转子)电流通常是定子电流的若干倍；同时因为定子线圈通电而转子静止时的电流相当于电机的起动电流，一般来说起动电流又是正常工作电流的若干倍，因此，反相感应电流发生器对电流的放大倍数为这两种放大倍数的乘积。也就是说，反相感应电流发生器是一个高倍数的电流反相放大器，用采样-控制电流可以在其导体中产生比采样-控制电流数值大得多的反相感应电流。我们可以通过计算和实验的方法确定反相感应电流发生器的“电流放大倍数”，再回过来确定工作电流和采样控制电流的比例，用分流电阻电路来比例分配出采样控制电流。采样控制电流产生出和分流后的工作电流大小相等、方向相反的“反相感应电流”，从而实现“无弧”关断。
如图6所示，实线是工作电流波形，虚线是反相感应电流波形，当引入反相感应电流之后，反相感应电流和工作电流相互抵消，电流过零为中间粗实线，也就是说电流过零的时间范围由原来的几个瞬时点连成了一条线，开关电器的机械操作部分在这个宽阔的范围内，可以实现有效的无弧关断。
图7是本发明实施例二的工作电路图，包括串接于主电路中的导体；与导体共同构成反相感应电流发生器的铁芯，主绕组、辅助绕组与移相元件；开关的执行主触点。其控制电路包括开通按钮SB1、关断按钮SB2、分流电阻Ry，以互感方式感应主电路电流的感应线圈A、主线圈KT和辅助常开触点KT。开通按钮SB1一端与电源连接，另一端分为二路，一路接到主线圈KT，主线圈KT另一端接到电源另一端；由SB1接出的另一路接到感应线圈A一端，感应线圈A另一端接到辅助常开触点KT的一端，辅助常开触点KT的另一端和主线圈KT的另一端及电源的另一端相接。主线圈KT通过辅助常开触点KT并接在感应线圈A两端。关断按钮SB2的一端接到电源，另一端接到分流电阻Ry的一端，分流电阻Ry的另一端接到主绕组的一端，主绕组与辅助绕组在这一端以同名端相连；辅助绕组的另一端联接移相元件，并从移相元件的另一端与主绕组的另一端相连，主绕组的另一端接到电源的另一端。执行主触点KT串接在主电路中。其工作过程为：
开：按下开通按钮SB1，主线圈KT得电，执行主触点KT闭合；在开通按钮SB1复位后，电源不再向主线圈KT供电，这时由于主电路通电后感应线圈A得电，同时辅助常开触点KT闭合，于是由感应线圈A向主线圈KT供电来达到控制电路的自锁，保证执行主触点KT一直闭合。
关：按下关断按钮SB2，主绕组和辅助绕组得电产生旋转磁场，产生反相感应电流与工作电流相抵消，主电路中电流过零，感应线圈A在主电路电流过零时失电造成主线圈KT失电，机械操作机构立即动作将执行主触点KT打开，实现无弧关断。
本发明既保留了传统开关电器机械结构的稳定可靠的优点，又具备了传统开关电器所不具有的无弧关断的特点，因此不仅能保证可靠的技术性能，大幅提高产品的使用寿命，并且使产品的质量和科技含量提高到崭新的档次，是一种新颖的开关电器。