同步开关技术 Sync Switch
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同步开关的开发与制造要点

发布时间:2017/6/10 14:14:16 同步开关技术 作者:wangzhaojun浏览:

       同步开关的最大缺点就是开发难度太大。
       同步开关的原理很简单,就是在电压的过零点之前提前投入磁保持继电器,使磁保持继电器的接点在电压过零的时刻恰好闭合,于是就实现了电容器的无涌流投入。在电流的过零点之前提前切除磁保持继电器,使磁保持继电器的接点在电流过零的时刻恰好断开,于是就实现了电容器的无电弧切除。
       问题在于磁保持继电器的动作时间具有不确定性,不但不同的继电器动作时间不一致,同一只磁保持继电器每次的动作时间也不一致,这就为同步操作的实现增加了难度。如果不能保证可靠的同步操作,那么磁保持继电器的寿命就会大大缩短, 因此开发同步开关的难点在于:
       1,克服磁保持继电器动作时间的不一致性,以保证可靠的同步操作。
       2,设计简便易行的技术方案,保证同步开关可以低成本批量生产。判断同步开关的质量如何,最简便的方法就是检测电容器投入时的涌流,打开磁保持继电器的盖子,观察电容器切除时触点间的火花,如果投入时的涌流在2倍以下,切除时看不到火花,那么质量就是没有问题的,否则质量就有问题。
       不幸的是,实现可靠的同步操作难度非常之大,实现低成本地批量生产难度更大。
       有的生产厂家也在研制同步开关,所碰到的问题几乎是一致的,就是费尽九牛二虎之力可以调出一两台来,无法批量生产。
       在开发同步开关之前,我们首先开发了涌流检测仪(至今我们仍是国内涌流检测仪的唯一生产厂商),可以同时测量三相的涌流。涌流检测仪是同步开关的开发以及成品检验必须要使用的仪器,否则,使用记录示波器来观测涌流的话,将使开发及成品检验过程变得异常复杂。
       由于磁保持继电器接点的动作较慢,通常由发出驱动信号到接点动作到位需要十几毫秒到几十毫秒的延时时间。为了实现同步开关功能,控制电路必须准确测量电源的相位,并且能够确定磁保持继电器接点的动作延时时间,以便提前发出磁保持继电器驱动信号,从而保证磁保持继电器接点在需要的时刻动作到位。
       磁保持继电器接点在闭合动作过程中可能会产生电弧的预燃现象,所谓电弧预燃现象就是在接点闭合过程中,由于接点距离不断减小以至于绝缘强度不足产生电弧击穿的现象。接点在断开动作过程中会产生电弧的重燃现象。所谓电弧重燃现象就是在接点断开过程中,接点距离还没有增加到足够的绝缘强度而产生电弧重新燃烧的现象。电弧预燃与重燃现象导致电路的导通与切断与接点的机械接触状态不一致,因而影响同步开关的性能。
       产生电弧预燃与重燃现象的主要原因是接点的运动速度过慢。在接点闭合的过程中,动接点与静接点间的距离不断缩小,绝缘强度不断减弱,如果在这个过程中接点间的电压升高至超过接点间隙的绝缘电压,那么就会出现电弧预燃现象。同样,在接点断开的过程中,动接点与静接点间的距离逐渐增加,绝缘强度逐渐增加,如果在这个过程中接点间的电压升高甚至超过接点间隙的绝缘电压,那么就会出现电弧重燃现象。由于工频交流电源的周期是20毫秒,在一个工频周期里,电源电压会出现两次峰值和两次过零点,过零时刻与峰值时刻的间隔只有5毫秒,如果接点闭合或者断开的过程为十几毫秒到几十毫秒,那么在接点闭合或者断开的过程中,接点间的电压就有若干次达到电源电压的峰值,因此就有可能发生电弧预燃与重燃现象。接点的运动速度越慢,发生电弧预燃与重燃现象的可能性就越大。
       为了消除电弧预燃与重燃现象,最有效的手段是提高磁保持继电器的接点动作速度。如果磁保持继电器接点闭合或者断开的动作时间小于5毫秒,那么就可以避免电弧预燃与重燃现象。在接点闭合的过程中,因为选择为电压过零闭合所以驱动信号要提前,如果接点的闭合过程为5毫秒,那么就要在电压为峰值时发出驱动信号,在接点动作的过程中,接点距离在不断减小,绝缘强度也在不断地减小,但是接点间的电压也在不断地减小,直至电压为零时接点闭合,因此不会出现电弧预燃现象。同样的道理,在接点断开的过程中,因为选择为电流过零断开,如果接点的断开动作过程为5毫秒,那么在接点开始断开时,由于电流为零因此没有电弧,断开以后,接点距离在不断增加,绝缘强度也在不断地增加,接点间的电压也在不断地增加,由于接点的断开距离与接点间的电压升高速度一致,当电压升高至峰值时,接点已经完成断开动作到位,有足够的绝缘强度,因此不会出现电弧重燃现象。
       在电容器投入的过程中,如果产生电弧预燃现象,涌流检测仪可以检测到较大的涌流,肉眼也可以观测到较大的火花。在电容器切除的过程中,只能靠肉眼观察火花,没有简便的测量手段,如果在电容器切除时肉眼观察不到火花。那么就说明不仅实现了电流过零过零切除电容器,而且在切除过程中没有产生电弧重燃现象。
       为了保证批量生产的需要,我们又开发了同步开关性能自动调试仪,自动调试仪要对一台同步开关上的每一只磁保持继电器的闭合与断开动作时间进行测量,测量精度要达到1微妙,只需要几分钟的自动检测调试过程,就可以使半成品的同步开关变成具备完善同步操作功能的成品。
       我们对于同步开关的成品要求是:
       电容器投入时涌流小于1.5倍。
       电容器切除时无火花。
       这里要说明一点,电容器投入时的涌流测量是100%检测的,而切除时的火花是抽检的,因为观察火花需要打开磁保持继电器的盖子,不可能100%检查。
       由于我们的独特技术以及同步开关性能自动调试仪的使用,使得同步开关的成品率达到99%以上。
       由于我们的独特技术,不仅同步开关的材料成本低于复合开关,而且人工成本也低于复合开关。
       以上简略介绍了同步开关的开发与制造要点,真正的的核心技术是技术秘密,不可能在网上公开。

       附:电容器投入和切除的电流捕捉波形见下图(以B相为例):


从a点看,当B相电压正处于零点时触点闭合,涌流很小


从a点看,B相电压处于峰值、电流为零,触点断开



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