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，江蘇揚州 225009；2. 國營第5308廠，江蘇揚州 225009）

研制了一種采用單片機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、雙向可控硅、功率繼電器與交流接觸器有機地結(jié)合在一起，吸取了這三種功率開關(guān)的優(yōu)點，避開了各自的缺點，實現(xiàn)了優(yōu)勢聯(lián)合，達到了平時正常供電與戰(zhàn)時應(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

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

第二路是戰(zhàn)時應(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控制電路等產(chǎn)生故障，第一路無220 V交流電輸出時，只要船用發(fā)電機發(fā)電正常，設(shè)備必須能夠容忍平時正常供電電路出現(xiàn)的故障，將“正?！獞?yīng)急”切換開關(guān)切換到戰(zhàn)時應(yīng)急供電電路，就可以繼續(xù)給通信設(shè)備供電。待戰(zhàn)后再對第一路的故障進行修理，滿足戰(zhàn)時通信的應(yīng)急需要。

這就是說，該設(shè)備除了需要設(shè)計平時正常供電電路以外，很重要的一點是，還需要設(shè)計一種終端開關(guān)，該終端開關(guān)應(yīng)該能對平時正常供電與戰(zhàn)時應(yīng)急供電這兩種工作模式，都能進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”是指平時正常供電和戰(zhàn)時應(yīng)急供電的交流輸入?！叭Y(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2相連；功率繼電器J1的常閉靜觸點3與交流接觸器K2的3、4腳相連；功率繼電器J1的動觸點1與負載相連。

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)壓電源及單片機控制電路，給電路提供低壓直流電源和各種控制信號，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的動觸點1腳輸出給負載。

第二路戰(zhàn)時應(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3腳相連，而此時功率繼電器處于閉合狀態(tài)，故交流電可以直接通過其動觸點1腳輸出給負載。由于戰(zhàn)時應(yīng)急供電電路通常只有在戰(zhàn)時第一路發(fā)生故障無220 V交流電輸出時才使用，無需頻繁啟動，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)閉的時序

雙向可控硅的驅(qū)動電路由過零觸發(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)閉的時序［5、6］受直流電源及單片機控制電路控制。

電子開關(guān)需打開時，單片機控制電路先在Q點輸出高電平信號，使V3導(dǎo)通，打開功率繼電器J1；然后延時20 ms，在R點輸出高電平信號，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，單片機控制電路先將R點高電平下降為低電平，關(guān)閉雙向可控硅；再延時10ms，將Q點高電平下降為低電平，關(guān)閉功率繼電器。

開關(guān)控制時序圖見圖3。

圖3 開關(guān)控制時序圖

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，即打開了第一路平時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，即打開了第二路戰(zhàn)時應(yīng)急供電電路的輸入。給平時正常供電電路供電時，停止給戰(zhàn)時應(yīng)急電路供電；給戰(zhàn)時應(yīng)急供電電路供電時，停止給平時正常供電電路供電。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，在打開第二路戰(zhàn)時應(yīng)急供電輸入的同時便打開了交流接觸器。應(yīng)急供電電路工作時，交流接觸器的3、4腳與功率繼電器的常閉靜觸點3腳相連，當(dāng)?shù)谝宦菲綍r正常供電電路出現(xiàn)故障時，常閉靜態(tài)觸點3腳一直與動觸點1腳連接在一起，不存在火花，也就無需軟啟動。繼電器只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，一個開，一個關(guān)，兩路輸出共用其動觸點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仍然有靜態(tài)電流的帶電狀態(tài)和有時還存在關(guān)不斷的現(xiàn)象［2］；避開了功率繼電器通電帶載吸合時存在火花及拉弧現(xiàn)象，特別是大電流時，多次頻繁工作后，觸點容易磨損、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電流大，頻繁啟動時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開關(guān)模塊，使用方便。

3 結(jié)論

不同的設(shè)計要求，要對應(yīng)采用不同設(shè)計方法。本文根據(jù)設(shè)計要求，將平時正常供電電路，戰(zhàn)時應(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)通過時序控制；兩路共用一個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)，揚長避短，取長補短，互補了功率開關(guān)器件的優(yōu)缺點，恰到好處地運用于本設(shè)計所需求的場合，滿足了設(shè)計要求。

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

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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

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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。E-mail: 56952668@qq.com