一种双路输入的三结合交流大功率电子开关

梁 骁，徐小平，邵海军，全海兵，何 兴

一种双路输入的三结合交流大功率电子开关

梁 骁1，徐小平2，邵海军2，全海兵1，何 兴1

（1. 江苏宝科电子有限公司，江苏扬州 225009；2. 国营第5308厂，江苏扬州 225009）

研制了一种采用单片机控制的双路输入三结合交流大功率电子开关，它将双向切换开关、单片机、双向可控硅、功率继电器与交流接触器有机地结合在一起，吸取了这三种功率开关的优点，避开了各自的缺点，实现了优势联合，达到了平时正常供电与战时应急供电这两种工作模式的可靠控制和兼容输出，满足了供电需求。

双向切换开关 双向可控硅 功率继电器 交流接触器

0 引言

某船用通信组合机柜交流电控装置需要输入两路呈互补关系的交流电：第一路是平时正常供电电路。发电机发出的220 V正弦波交流电，经过直流电源及单片机控制电路控制的交流稳压电路稳压后，提供给负载。

第二路是战时应急供电电路。在战争环境中，一旦交流稳压电路或者相应的直流电源及单片机控制电路等产生故障，第一路无220 V交流电输出时，只要船用发电机发电正常，设备必须能够容忍平时正常供电电路出现的故障，将“正常—应急”切换开关切换到战时应急供电电路，就可以继续给通信设备供电。待战后再对第一路的故障进行修理，满足战时通信的应急需要。

这就是说，该设备除了需要设计平时正常供电电路以外，很重要的一点是，还需要设计一种终端开关，该终端开关应该能对平时正常供电与战时应急供电这两种工作模式，都能进行可靠的控制和兼容输出[1]。

该设备要求输出功率大，并做到：电路简单易行，稳妥可靠。为此开发了一种由单片机控制的双路输入三结合交流大功率电子开关。

1 技术方案

1.1 主要组成

该双路输入的三结合交流大功率电子开关由双向切换开关电路、直流电源及单片机控制电路、开关器件电路等三部分组成。电子开关原理方框图见图1，电子开关电路原理图见图2。

这里“双路输入”是指平时正常供电和战时应急供电的交流输入。“三结合”是指：大功率双向可控硅、功率继电器、交流接触器这三种功率开关器件的结合[2]。

1.2 主要连接关系

双向切换开关K1的1脚与输入交流火线相连，2脚与直流电源及单片机控制电路相连，3脚与交流接触器K2线包的A1(L)相连。

开关器件电路由大功率双向可控硅S0、功率继电器J1、交流接触器K2三种功率开关器件和辅助元件组成；双向可控硅与功率继电器，交流接触器与功率继电器，两两相连：双向可控硅S0的T1脚与交流稳压电路的输出相连，T2脚与功率继电器J1的常开静触点2相连；功率继电器J1的常闭静触点3与交流接触器K2的3、4脚相连；功率继电器J1的动触点1与负载相连。

图1 电子开关原理方框图

图2 电子开关电路原理图

1.3 两路交流电的走向

第一路平时正常供电电路。双向切换开关K1拨向上，电源从双向切换开关2脚到直流稳压电源及单片机控制电路，给电路提供低压直流电源和各种控制信号，分别控制交流稳压电路工作和双向可控硅S0、功率继电器J1的打开。220 V交流电经交流稳压电路后，交双向可控硅S0、功率继电器J1，最后经J1的动触点1脚输出给负载。

第二路战时应急供电电路。双向切换开关K1拨向下，火线从双向切换开关3脚经交流接触器的线包与零线相连，直接打开交流接触器。由于交流接触器的3、4脚与功率继电器的常闭静触点3脚相连，而此时功率继电器处于闭合状态，故交流电可以直接通过其动触点1脚输出给负载。由于战时应急供电电路通常只有在战时第一路发生故障无220 V交流电输出时才使用，无需频繁启动，故直接采用了交流接触器[3]。

1.4 双向可控硅和功率继电器的打开与关闭的时序

双向可控硅的驱动电路由过零触发MOC3041光电耦合器W1和三极管V1、电阻R1、R3、R4、R5等组成；功率继电器的驱动电路由电阻R7、三极管V3、二极管V2等组成［4］。双向可控硅和功率继电器串联在交流电路回路里。双向可控硅和功率继电器的打开与关闭的时序［5、6］受直流电源及单片机控制电路控制。

电子开关需打开时，单片机控制电路先在Q点输出高电平信号，使V3导通，打开功率继电器J1；然后延时20 ms，在R点输出高电平信号，使V1导通，给过零触发光电耦合器MOC4031提供15 mA持续电流，在交流正弦波的零点打开双向可控硅，有效地减少了干扰。

电子开关需关闭时，单片机控制电路先将R点高电平下降为低电平，关闭双向可控硅；再延时10ms，将Q点高电平下降为低电平，关闭功率继电器。

开关控制时序图见图3。

图3 开关控制时序图

可见，这种双向可控硅和功率继电器的串联电路，其打开与关闭的时序关系遵循了一种“继电器先开后关，双向可控硅后开先关”的原则。

由于继电器先开后关，双向可控硅后开先关，所以功率继电器的切换过程都是在不通电的条件下进行的，使大功率继电器在打开与关闭的过程中成为一种无火花的长寿命继电器［7］。

2 有益效果

双向切换开关K1拨向上，其1脚与2脚相连时，即打开了第一路平时正常供电电路的输入；双向切换开关K1拨向下，其1脚与3脚相连时，即打开了第二路战时应急供电电路的输入。给平时正常供电电路供电时，停止给战时应急电路供电；给战时应急供电电路供电时，停止给平时正常供电电路供电。两路交流，相互隔离，互不干扰。

交流接触器K2线包的A1(L)脚与火线相连，A2(N)脚与零线相连，这样，交流接触器便直接受双向切换开关控制：双向切换开关K1拨向下，其1脚与3脚相连时，在打开第二路战时应急供电输入的同时便打开了交流接触器。应急供电电路工作时，交流接触器的3、4脚与功率继电器的常闭静触点3脚相连，当第一路平时正常供电电路出现故障时，常闭静态触点3脚一直与动触点1脚连接在一起，不存在火花，也就无需软启动。继电器只有两个稳定状态，一个开，一个关，两路输出共用其动触点1脚输出，互不干扰，电路简单可靠。

大功率双向可控硅的采用，保证了大电流的无触点切换。

功率继电器与大功率双向可控硅、交流接触器的联合采用和巧妙的连接关系，避开了双向可控硅断开时仍然有静态电流的带电状态和有时还存在关不断的现象［2］；避开了功率继电器通电带载吸合时存在火花及拉弧现象，特别是大电流时，多次频繁工作后，触点容易磨损、烧结，造成接触不可靠，出现弹不开或者吸不上的现象；避开了交流接触器启动电流大，频繁启动时容易被卡住而烧毁线圈的现象。

整体电路除了继电器、交流接触器外，其它器件都可以制作固化成一个开关模块，使用方便。

3 结论

不同的设计要求，要对应采用不同设计方法。本文根据设计要求，将平时正常供电电路，战时应急供电电路，用双向切换开关分开控制；双向可控硅与功率继电器，交流接触器与功率继电器，两两相连；平时正常供电电路，采用双向可控硅和功率继电器相串联，其开、关通过时序控制；两路共用一个功率继电器通道输出，电路简洁易行，稳妥可靠。

双路输入的三结合交流大功率电子开关，扬长避短，取长补短，互补了功率开关器件的优缺点，恰到好处地运用于本设计所需求的场合，满足了设计要求。

[1] 一种双路自动转换供电的船用分电箱[P]. 中国专利, CN20172 1499971.0.2018-05-15

[2] 徐登科. 新型智能复合开关[J]. 电工技术, 2002, (11): 47.

[3] 林文生. 智能混合式交流接触器的设计与研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2006.

[4] 陈欢. 新型晶闸管触发装置的仿真与设计[D]. 湖南工业大学, 2015.

[5] 陈天锡, 毛元伟, 吴毅等. 新型智能复合开关的研究[J]. 湖北电力. 2008, (10): 30 -32.

[6] 李书旗田松亚. 高效无功补偿投切开关的设计与实现 [J]. 机械与电子, 2009, (3): 43 -45

[7] 任晓霞, 林春阳, 刘向军. 基于单片机控制的42 V混合式汽车继电器[J]. 低压电器, 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

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1003-4862（2019）10-0022-03

2019-03-20

梁骁（1987-），男，工程师，从事电子产品设计。E-mail: 56952668@qq.com