二极管触点保护复合开关的控制电路及继电器的控制方法

摘要

本发明涉及一种二极管触点保护复合开关及具体的实现方法，二极管和辅助继电器触点串联组成主触点保护电路并联在开关主触点的两端，辅助继电器的电流容量是主继电器触点电流容量的1/10到1/1000，主继电器驱动电流按照一定规律变化，以缩短继电器的行程时间。本发明还提供一种缩短继电器行程时间的控制电路和控制方法：通过继电器线圈的电流由继电器控制电路的单片机输出的PWM波形控制，使用本发明提供的继电器控制方法，可以在保证继电器寿命的前提下大大缩短继电器闭合/断开时的行程时间。二极管触点保护复合开关是一种电流过零通/断的开关，并可以容易的实现过流、过压保护和远程操控的功能，实现真正智能开关，这将是交流电源开关的一场革命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流电继电器开关，特别是一种利用二极管和机械触点开 关串联实现交流开关触点在闭合或断开时不产生电弧的继电器开关和继电器驱 动电路及控制方法，国际分类号为H01H9/54、H01H9/56。

背景技术

理想的交流电继电器开关是在电流过零点的瞬间完成触点的闭合或断开， 但由于机械触点的运动过程需要时间，所以机械触点开关从原理上就无法实现 过零通/断，在高压和大电流的场合，尤其是切换电感和电容负载时打火和拉弧 的现象更是尤为严重，不仅会造成开关触点的寿命缩短，还有可能产生对电网 有害的浪涌电流或浪涌电压。由于交流继电器开关无法实现电流过零通/断，所 以从交流开关应用之日开始，工程师们就一直在寻找解决开关触点灭弧的办法。 可控硅的出现提供了一种实现在电流零点完成闭合或断开的交流电子开关，但 由于可控硅的功耗和成本问题，可控硅交流开关无法成为实用、可靠的开关。 同时也有许多人在研究低功耗、低成本的可控硅和继电器触点并联的复合开关， 但由于可控硅在dv/dt很高时容易误导通和di/dt很高时不易关断的缺点，所以 可控硅复合开关一直没有得到实际的应用。

美国专利US3223888，US3284684和中国专利申请01111050.3公开了一种 用二极管保护继电器主触点的方法，这是一种开关断开后有机械断点的开关， 二极管在主开关触点闭合或断开的瞬间保证主开关的触点只承受二极管的正向 电压，但这些专利公开的电路对辅助继电器和主继电器触点行程时间(触点从 开始动作到动作完全停止的时间)有严格的要求：对于电阻和电感负载开关触 点必须在二分之一交流电周期内完成闭合或断开的过程，而对于电容负载，则 要求继电器触点的行程时间小于四分之一交流电周期，也就是说50Hz交流电， 对于电阻、电感负载触点的行程时间要小于10mS，对于电容负载触点行程时间 要小于5mS，而60Hz的交流电则要求触点动作的时间更短，一般开关继电器 触点的行程时间无法达到这个水平，并且随着继电器使用时间的增加，触点的 行程时间会变化并延长，现有的继电器无法满足上述专利所提及的用二极管和 辅助继电器触点串联实现开关触点保护的要求，所以上述专利中并未提及使用 什么样的继电器实现触点的保护功能，这也是这种二极管触点保护开关的电路 提出超过半个世纪了而一直没有实用的原因。

交流开关继电器的触点闭合时触点会发生抖动打火，触点断开时会发生拉 弧，在交流电过零时电弧将熄灭，触点的动作速度必须要保证电弧熄灭后不会 重燃，所以交流开关继电器触点的行程时间必须要足够的短。继电器触点闭合 时会产生抖动，为了减小触点的抖动次数，一般在继电器的机械系统中增加阻 尼。为了缩短继电器触点的行程时间，不外乎就是提高继电器线圈的驱动电流 和减小机械系统的阻尼，而提高线圈的驱动电流和减小阻尼又会增加触点闭合 时的抖动而影响触点闭合时的性能并减少继电器的机械寿命，所以交流开关继 电器很难在保证机械寿命的前提下提高触点的动作速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于实现二极管触点保护复合开关的方法，主要 是一种提高继电器触点动作速度、减小行程时间的控制电路及控制方法，这是 一种可以使继电器触点的行程时间缩短2倍以上的控制电路和控制方法，特别 提出一种磁保持继电器的控制电路和控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种二极管触点保护复合开关包括主继电器触点保护电路、主继电器触点 和继电器控制电路，所述的主继电器触点保护电路由辅助继电器触点K1与二 极管D串联组成且两端与主继电器触点K并联；辅助继电器触点K1的电流容 量是主继电器触点K的电流容量是1/10到1/1000；主继电器闭合/断开时，通 过继电器线圈的电流按照一定规律变化以缩短触点的行程时间。

进一步的，所述二极管触点保护复合开关的继电器控制电路采用电容降压 整流电路供电。

进一步的，所述二极管触点保护复合开关可以使用多个辅助继电器触点串 联解决单个继电器触点耐压不够的问题，可以使用多个主继电器触点并联的办 法解决单只继电器触点电流容量不够的问题。

进一步的，所述的继电器驱动电路由单片机、辅助继电器驱动电路和主继 电器驱动电路组成，主继电器驱动线圈L两端并联电容器C，驱动线圈L接在 四支三极管T₃、T₄、T₅、T₆组成的H桥的输出端1和输出端2之间，单片机的 两个输出端3和4通过三极管T₁和T₂组成的反相器控制H桥的输出电压脉冲 宽度和脉冲的极性，主继电器触点动作时继电器控制电路提供给继电器驱动线 圈L的电压为PWM脉冲，通过驱动线圈L的电流是变化的。

优选的，所述的二极管触点保护复合开关的辅助继电器驱动线圈L1通过三 极管T11与电容器C6连接，辅助继电器触点动作时单片机控制三极管T11导 通，电容器C6通过三极管T11对驱动线圈放电，通过驱动线圈L1的电流按对 数关系下降，继电器触点动作停止后单片机关断三极管T11并打开三极管T10 开始对电容器C6充电。

优选的，所述二极管触点保护复合开关的辅助继电器和主继电器使用磁保 持继电器。

优选的，所述二极管触点保护复合开关的继电器控制电路包含电流测量电 路和电压测量电路。

所述的继电器控制方法，包括以下的步骤：

步骤1)、继电器闭合时继电器控制电路提供给继电器驱动线圈的电流为初 始值是额定工作电流2-20倍的变化电流，继电器的动触点将快速的向定触点移 动，之后通过继电器线圈电流不断减小直到为零，动触点与定触点接触后线圈 驱动电流恢复到继电器的吸合保持电流；

步骤2)、继电器断开时继电器控制电路提供给继电器驱动线圈电流为初始 值是额定工作电流2-20倍的变化电流，继电器的动触点将快速的向离开定触点 方向移动，之后之后通过继电器线圈的电流不断减小，当动触点到触点的常开 位置时驱动电流变为零；

本发明的有益效果为：提高了继电器触点的动作速度，并减少了开关触点 终止动作时受到的应力，不但可以减少触点的抖动，进一步减少继电器触点动 作的时间，另外也可以大大延迟继电器的机械寿命。另外使用本发明提供的继 电器控制电路和控制方法，可以保证辅助继电器和主继电器的触点可以在二极 管触点保护电路要求的1/4交流电周期内闭合，从而实现了开关在电流过零点 的闭合或断开，真正实现交流开关的电子灭弧，从而可以大大的延迟开关的电 气寿命，

附图说明

下面根据附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的二极管触点保护开关原理图；

图2是本发明实施例所述的继电器控制电路原理图一；

图3是本发明实施例所述的继电器控制电路原理图一控制继电器动作行程 和直流控制继电器动作行程对比图；

图4是本发明实施例所述的继电器控制电路原理图二。

图5是本发明实施例所述的继电器控制电路原理图二控制继电器动作行程 和直流控制继电器动作行程对比图；

图6是本发明实施例所述的二极管触点保护的复合开关电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例所述的一种二极管触点保护的复合开关的原理 图，包括主继电器触点K，触点保护二极管D、辅助继电器触点K1和继电器控 制电路组成，所述的主继电器触点保护电路由辅助继电器触点K1与二极管D 串联组成且两端与主继电器触点K并联。辅助继电器触点K1在主开关触点K 闭合或断开的瞬间要承受主触点的全部电流，一般的在考虑辅助继电器电流容 量时，都会选择和主继电器同样电流容量。继电器的触点电流容量越大则触点 的行程时间越长，实际上20A以上的交流开关继电器很难达到10mS以内的行 程时间。而辅助继电器通过电流的时间很短，一般不会超过交流电周期的1/4， 主继电器的行程时间要考虑到误差，主继电器触点的行程时间不能超过3mS， 一次触点通/断过程辅助继电器触点K通过电流的时间一般不会超过3mS，所以 为了提高辅助继电器触点动作的速度，可以选择触点电流容量小的继电器作为 辅助继电器，选择辅助继电器触点的电流容量可以是主继电器触点的电流容量 是1/10到1/1000，辅助继电器触点行程时间小于1/2交流电周期即可，对于一 般触点容量小于5A的继电器很容易满足这个要求，也就是说主开关的电流 100A，辅助继电器的电流容量1-2A就绰绰有余。一般小电流容量的开关继电 器，触点行程短、耐压也比较低，当一支辅助继电器触点的耐压不能满足开关 断开时耐压的的要求时，可以使用多支辅助继电器串联提高辅助继电器回路触 点的耐压，使用小电流继电器作为辅助继电器，一方面可以解决辅助继电器行 程时间的问题，另外也可以降低整个开关的成本。通过大量的实验证明，小继 电器在10mS内通过上百倍的额定电流，对继电器的寿命没有任何影响。同样， 对于通断电流很大开关(如数百A到1000A的开关)，可以使用多个辅助继电 器并联解决电流容量的问题。二极管触点保护复合开关的主继电器在闭合时主 触点不承受电压，所以同样可以采用多支小电流继电器并联解决继电器行程时 间和触点电流容量之间的矛盾。二极管触点保护复合开关在开关闭合时，二极 管保护辅助继电器触点闭合不打火，辅助继电器触点又保护主触点闭合时不打 火；而断开时辅助继电器触点保护主触点断开不拉弧，二极管又保护辅助触点 断开时不拉弧，因而使得辅助触点和主触点可以实现串并联，这为高压大电流 开关的设计提供了一个新的思路。

但当开关电流为几百A时，用上百只小继电器并联肯定是不现实的，为了 解决大电流继电器行程时间无法缩短的问题，本发明提出一种减少继电器触点 的行程时间方法。继电器有一个动触点和一个静(止)触点(对于单刀单掷)， 闭合时是动触点克服弹簧力向静触点运动，断开时动触点受到弹簧力向离开静 触点的方向运动，显然提高继电器线圈的驱动电流可以增加动触点的受力而加 快触点闭合时的运动速度，但过大的驱动电流会使触点在动作结束的瞬间受到 太大的冲击力而缩短继电器的使用寿命。本发明提供的解决方案的思路是在继 电器触点闭合动作初始阶段给继电器的动触点施加比较大的力，让动触点以更 高的加速度开始运动，加速运动一段时间之后减小动触点的受力，让动触点做 减速运动，到达静触点时动触点的运动速度为零，当动触点和静触点接触后再 增加动触点的受力使之大于动触点收到的弹簧恢复力，以减小触点间的接触电 阻。继电器触点断开时，在驱动线圈通入电流使动触点除了受到弹簧恢复力还 要受到驱动线圈的电磁力，这样动触点就会以更快的速度离开静触点，当动触 点快达到常开位置时，在驱动线圈中通入反向电流，使动触点做减速运动，最 后到保证触点到常开位置时的速度为零。通过改变继电器触点在移动过程中的 受力，实现了缩短继电器触点行程时间并且不影响继电器使用寿命的目的。

图2是为了实现缩短继电器触点行程时间的继电器控制电路原理图一，所 述的主继电器驱动线圈L两端并联电容器C，四支三极管T₃、T₄、T₅、T₆组成 输出极性可以变化的H桥，驱动线圈L接在H桥的输出端1和输出端2之间， 单片机的两个输出端3和4通过三极管T₁和T₂组成的反相器控制H桥的输出 电压脉冲宽度和脉冲的极性，使用一般的51单片机就可以实现。继电器触点动 作时继电器控制电路通过H桥提供给继电器驱动线圈的电压为PWM脉冲，经 过电容C滤波后在驱动线圈上产生的是连续变化电压、在驱动线圈流过连续变 化的电流。

图3-1是对一个工作电压12V的继电器驱动线圈两端加12V直流电压，对 应的继电器闭合时和断开时动触点行程和时间的关系(图中U_L为继电器驱动线 圈两端的电压，d为继电器触点间行程的距离)；图3-2是同样12V继电器，由 继电器控制电路提供继电器变化驱动电压，对应的继电器闭合时和断开时动触 点行程和时间的关系。单片机输出端3、4输出为高电平时，H桥的四支三极管 T3-T6都截止，H桥没有输出。当单片机输出端3为低电平，输出端4为高电 平时，H桥的三极管T3和T4导通，电流从H桥的输出端1流向输出端2，继 电器触点闭合。在继电器闭合过程中，开始H桥输出的脉冲占空比较大，通过 继电器驱动线圈L两端的电流交大，之后输出的脉冲占空比变小，经过电容器 C滤波后变成平滑的输出电压加在继电器驱动线圈L两端，通过继电器驱动线 圈的电流逐渐变小，输出电压的波形根据单片机输出端3输出脉冲的占空比而 定。继电器断开时，H桥输出反向电压脉冲经电容器C滤波后加在驱动线圈的 两端，可以加快继电器触点断开的行程时间。显然采用图3-2的继电器驱动电 压比采用图3-1的直流电压可以使继电器的触点更快的完成闭合或断开的过程， 并且闭合时触点的抖动次数减少。一般来说提高驱动电压的初始值是加快触点 运动速度最有效的手段，但会增加电源的成本，并且初始电压增加到一定后， 对改变继电器触点运动的速度的作用变小。根据本发明提供的实验思路，一般 技术人员通过实验，对于不同的继电器通过改变驱动电压和单片机输出PWM 的程序，可以得到继电器触点在闭合或断开时最短的运动时间和最小的抖动， 故对于驱动线圈两端施加的PWM波形与触点运动速度的关系，在此不再赘述。

进一步的，所述二极管触点保护复合开关的主继电器可以使用磁保持继电 器。磁保持继电器在继电器完成动作后，驱动线圈不需要再通电，一方面是节 能，另一方面可以降低驱动电源的成本。磁保持继电器有单线圈和双线圈驱动 两种，单线圈的可以采用图2的电路，采用何种PWM输出，一般技术人员通 过实验可以决定，在此不再赘述。图4是双线圈磁保持继电器的PWM驱动电 路，图5显示图4的电路在双线圈磁保持继电器闭合和断开时继电器驱动线圈 两端施加直流脉冲电压和施加PWM驱动电压与之对应的触点行程时间的关系。 图5-1是对一个工作电压12V的磁保持继电器驱动线圈两端加12V直流电压， 对应的触点闭合时和断开时动触点行程的关系；图5-2是对于同样12V磁保持 继电器驱动线圈两端加起始48V的一个渐变电压(U_L1是闭合线圈的电压，U_L2是释放线圈的电压)，对应的触点闭合时和断开时动触点行程的关系。磁保持继 电器闭合过程中，三极管T7输出PWM电压到闭合线圈L1，经电容器C1滤波 后产生一个初始电压48V随后逐渐下降的电压，输出到继电器线圈L1上的波 形由单片机输出端3输出的PWM决定。磁保持继电器断开时和闭合时的情况 基本相同。显然采用图5-2的驱动电压波形比采用图5-1的直流电压可以使继电 器的触点更快的完成闭合或端来的过程，并且闭合时触点的抖动次数减少。

进一步的，所述二极管触点保护复合开关的继电器控制电路包含电流测量 电路和电压测量电路。图6是本发明实施例所述的二极管触点保护的复合开关 电路原理图，降压电容C3、二极管D4、D5、稳压管D7和滤波电容C4组成 48V电容降压电源，48V电源为继电器驱动电路和5V稳压电源供电，三端稳压 电源5V和电容C5组成单片机的供电电源，电容降压电源功耗低、体积小，很 适于本发明的交流开关电路供电。D2和C6组成辅助继电器L1的供电电源， D3和C7组成主继电器L的供电电源，C6和C7的充电由T9和T10控制，当 单片机输出端5为低电平时，T10导通，48V电容降压电源为C6和C7充电。 辅助继电器驱动线圈L1通过三极管T11与电容器C6连接成回路，辅助继电器 动作时继电器控制电路控制三极管T11导通，电容C6通过三极管T11对辅助 继电器驱动线圈放电L1，通过驱动线圈的电流按对数关系下降，这种电容放电 的方式也可以缩短继电器的行程时间。继电器触点动作停止后单片机关断三极 管T11并打开T10对电容器C6充电，为辅助继电器下一次动作做准备；主继 电器为单线圈磁保持继电器，电容器C7驱动主继电器的原理和辅助继电器的基 本相同；电流互感器TA、电阻R4、R5和稳压管D8组成电流检测电路，当通 过开关的电流超过预定值时，单片机控制继电器断开，保护开关和负载；电阻 R1、R2和稳压管组成电网电压检测电路，一方面可以检测电压的相位，为继电 器闭合或断开选择时间基准，另外当检测到过电压或欠压时可以切断开关保护 负载，这些功能是传统的继电器开关不具有的，另外本发明开关还可以接上其 它的传感器(如温度传感器)，起到更多的保护，加上红外传感器或蓝牙，就可 以具有远程操控的功能，等等。

所述的继电器控制方法，包括以下的步骤：

步骤1)、继电器闭合时继电器控制电路提供给继电器线圈初始的驱动电流 为2-20倍的额定工作电流，继电器的动触点将快速的向定触点移动，之后驱动 电流不断减小直到为零，动触点与定触点接触后线圈驱动电流恢复到继电器的 吸合保持电流；

步骤2)、继电器断开时继电器控制电路提供给继电器线圈初始的驱动电流 为2-20倍的额定工作电流，继电器的动触点将快速的向离开定触点方向移动， 之后驱动电流不断减小，当动触点到达触点的常开位置时驱动电流变为零；

本发明减少继电器行程时间的基本思路是让触点在行程的开始阶段以较快 的速度运动，之后做减速运动，触点移动结束时运动速度基本能减到零，这样 一方面可以可以缩短触点的行程时间，另一方面又可以减少触点移动到行程终 点时产生的抖动和冲击。实现的方法是继电器触点动作时，提供给继电器线圈 的电流是一个初始值较大之后逐渐下降的变化电流，对于不同的继电器，不同 的电流曲线将会产生不同的触点行程速度轨迹，这为研究如何缩短继电器的行 程时间开辟了一个新的思路，这也将引起继电器设计的一场变革。关于继电器 线圈的驱动电路，本发明申请只提供了几个实施例，实现本发明所述的通过继 电器线圈电流的控制电路可以容易的变形得到更多的电路，在此不再一一列举。

二极管触点保护复合开关是一种电流过零通/断的开关，使用电容降压电 源、单片机控制和过流、过压保护，使交流开关可以具有更小的体积、更多智 能化的保护功能和远程操控的功能，实现真正智能开关，这将是交流电源开关 的一场革命。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其 它各种形式的产品和方法，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与 本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。