一種雙路輸入的三結合交流大功率電子開關

梁 驍，徐小平，邵海軍，全海兵，何 興

一種雙路輸入的三結合交流大功率電子開關

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合交流大功率電子開關，它將雙向切換開關、單片機、雙向可控硅、功率繼電器與交流接觸器有機地結合在一起，吸取了這三種功率開關的優點，避開了各自的缺點，實現了優勢聯合，達到了平時正常供電與戰時應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 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系的交流電：第一路是平時正常供電電路。發電機發出的220 V正弦波交流電，經過直流電源及單片機控制電路控制的交流穩壓電路穩壓后，提供給負載。

第二路是戰時應急供電電路。在戰爭環境中，一旦交流穩壓電路或者相應的直流電源及單片機控制電路等產生故障，第一路無220 V交流電輸出時，只要船用發電機發電正常，設備必須能夠容忍平時正常供電電路出現的故障，將“正常—應急”切換開關切換到戰時應急供電電路，就可以繼續給通信設備供電。待戰后再對第一路的故障進行修理，滿足戰時通信的應急需要。

這就是說，該設備除了需要設計平時正常供電電路以外，很重要的一點是，還需要設計一種終端開關，該終端開關應該能對平時正常供電與戰時應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]。

該設備要求輸出功率大，并做到：電路簡單易行，穩妥可靠。為此開發了一種由單片機控制的雙路輸入三結合交流大功率電子開關。

1 技術方案

1.1 主要組成

該雙路輸入的三結合交流大功率電子開關由雙向切換開關電路、直流電源及單片機控制電路、開關器件電路等三部分組成。電子開關原理方框圖見圖1，電子開關電路原理圖見圖2。

這里“雙路輸入”是指平時正常供電和戰時應急供電的交流輸入。“三結合”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器件的結合[2]。

1.2 主要連接關系

雙向切換開關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 電子開關原理方框圖

圖2 電子開關電路原理圖

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K1撥向上，電源從雙向切換開關2腳到直流穩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交流電經交流穩壓電路后，交雙向可控硅S0、功率繼電器J1，最后經J1的動觸點1腳輸出給負載。

第二路戰時應急供電電路。雙向切換開關K1撥向下，火線從雙向切換開關3腳經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，故交流電可以直接通過其動觸點1腳輸出給負載。由于戰時應急供電電路通常只有在戰時第一路發生故障無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閉的時序

雙向可控硅的驅動電路由過零觸發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在交流電路回路里。雙向可控硅和功率繼電器的打開與關閉的時序［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導通，給過零觸發光電耦合器MOC4031提供15 mA持續電流，在交流正弦波的零點打開雙向可控硅，有效地減少了干擾。

電子開關需關閉時，單片機控制電路先將R點高電平下降為低電平，關閉雙向可控硅；再延時10ms，將Q點高電平下降為低電平，關閉功率繼電器。

開關控制時序圖見圖3。

圖3 開關控制時序圖

可見，這種雙向可控硅和功率繼電器的串聯電路，其打開與關閉的時序關系遵循了一種“繼電器先開后關，雙向可控硅后開先關”的原則。

由于繼電器先開后關，雙向可控硅后開先關，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K1撥向下，其1腳與3腳相連時，即打開了第二路戰時應急供電電路的輸入。給平時正常供電電路供電時，停止給戰時應急電路供電；給戰時應急供電電路供電時，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控制：雙向切換開關K1撥向下，其1腳與3腳相連時，在打開第二路戰時應急供電輸入的同時便打開了交流接觸器。應急供電電路工作時，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，當第一路平時正常供電電路出現故障時，常閉靜態觸點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。繼電器只有兩個穩定狀態，一個開，一個關，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、交流接觸器的聯合采用和巧妙的連接關系，避開了雙向可控硅斷開時仍然有靜態電流的帶電狀態和有時還存在關不斷的現象［2］；避開了功率繼電器通電帶載吸合時存在火花及拉弧現象，特別是大電流時，多次頻繁工作后，觸點容易磨損、燒結，造成接觸不可靠，出現彈不開或者吸不上的現象；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模塊，使用方便。

3 結論

不同的設計要求，要對應采用不同設計方法。本文根據設計要求，將平時正常供電電路，戰時應急供電電路，用雙向切換開關分開控制；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，其開、關通過時序控制；兩路共用一個功率繼電器通道輸出，電路簡潔易行，穩妥可靠。

雙路輸入的三結合交流大功率電子開關，揚長避短，取長補短，互補了功率開關器件的優缺點，恰到好處地運用于本設計所需求的場合，滿足了設計要求。

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

[2] 徐登科. 新型智能復合開關[J]. 電工技術, 2002, (11): 47.

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[4] 陳歡. 新型晶閘管觸發裝置的仿真與設計[D]. 湖南工業大學, 2015.

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[6] 李書旗田松亞. 高效無功補償投切開關的設計與實現 [J]. 機械與電子, 2009, (3): 43 -45

[7] 任曉霞, 林春陽, 劉向軍. 基于單片機控制的42 V混合式汽車繼電器[J]. 低壓電器, 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

梁驍（1987-），男，工程師，從事電子產品設計。E-mail: 56952668@qq.com