CN101854075A - 一种灭弧混合切换开关及开关切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灭弧混合切换开关，包括机械开关和并联连接在所述机械开关的第一触点支路上的第一晶闸管支路，所述第一晶闸管支路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一有极性电容和第二有极性电容，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容同向串联，所述第二晶闸管和所述第二有极性电容同向串联，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容组成的支路与所述第二晶闸管和所述第二有极性电容组成的支路反向并联。还公开了一种为机械开关灭弧的开关混合切换方法。本发明可以选择小功率的晶闸管，因此大幅降低了开关成本；有极性电容可以在晶闸管发生短路故障时代替晶闸管起到灭弧的作用，大幅降低负载电流，减小晶闸管故障对于负载的影响。

Description

一种灭弧混合切换开关及开关切换方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置，特别是一种灭弧混合切换开关及开关切换方法。

背景技术

自动转换开关(ATS)是一种将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器，广泛应用于各种场合。由于自动转换开关的主要切换部件为机械开关，所以切换速度慢(20ms左右)，容易引起电弧，而电弧会产生高温，灼烧并蒸发机械开关的金属触点，并因此大幅缩短开关的使用寿命。

静态转换开关(STS)也是一种将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器，应用于各种对切换速度要求严格的场合。由于静态转换开关的主要切换部件为晶闸管，虽然其切换速度(小于3ms)比ATS大幅提高，但晶闸管为半导体而非导体的性质，所以会有比导体性质的机械开关大得多的导通压降，增加了导通损耗。而且，大功率晶闸管造价高昂，也大幅增加了产品成本。一台STS甚至比同容量的UPS(不间断电源)还要昂贵。

对于开关来说，拥有极低的导通损耗，极快的切换速度，极长的使用寿命，故障时对于负载极好的保护，以及极其低廉的价格，是极其迫切的要求。

单纯使晶闸管并联机械开关可以满足上述的部分要求，但是只适用于小功率场合。当开关为ATS，使用场合例如电流为63A，230A，3kA以及4kA的时候，对于晶闸管的大功率的要求使得产品造价非常的高昂。同时，当晶闸管发生短路故障时，电源会通过晶闸管支路直接向负载供电，将机械开关短路。即使此时切换机械开关也不会有任何作用，对负载构成了威胁。早在1984年就有人在美国申请了上述单纯的使用晶闸管并联机械开关的专利，可20多年后的今天仍未见任何类似产品应用，其不足与缺陷可见一斑。

发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种灭弧混合切换开关和开关切换方法，降低了对晶闸管的大功率要求和产品的成本，并当晶闸管发生短路故障时不会导致机械开关短路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种灭弧混合切换开关，包括机械开关和并联连接在所述机械开关的第一触点支路上的第一晶闸管支路，所述第一晶闸管支路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一有极性电容和第二有极性电容，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容同向串联，所述第二晶闸管和所述第二有极性电容同向串联，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容组成的支路与所述第二晶闸管和所述第二有极性电容组成的支路反向并联。

优选地，还包括并联在所述第一有极性电容上的第一放电电路和并联在所述第二有极性电容上的第二放电电路。

还包括串联在所述第一晶闸管支路上的限流器件。

还包括并联在所述机械开关的第二触点支路上的第二晶闸管支路，所述第二晶闸管支路包括第三晶闸管、第四晶闸管、第三有极性电容和第四有极性电容，所述第三晶闸管和所述第三有极性电容同向串联，所述第四晶闸管和所述第四有极性电容同向串联，所述第三晶闸管和所述第三有极性电容组成的支路与所述第四晶闸管和所述第四有极性电容组成的支路反向并联。

还包括并联在所述第三有极性电容上的第三放电电路和并联在所述第四有极性电容上的第四放电电路。

一种用于前述的灭弧混合切换开关的开关切换方法，包括以下步骤：

a.发出开关切换信号；

b.触发所述第一晶闸管支路导通，电流经所述第一晶闸管和所述第一有极性电容组成的支路流通，或经所述第二晶闸管和所述第二有极性电容组成的支路流通；

c.使所述机械开关离开第一触点，电流经由所述第一晶闸管支路向负载继续供电；

d.检测到所述机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离时，停止触发第一双向晶闸管单元。

优选地，所述步骤d之后还包括对所述第一有极性电容和所述第二有极性电容进行放电的步骤。

所述步骤d之后还包括以下步骤：

e.检测到所述第一晶闸管支路无电流通过后，触发所述第二晶闸管支路导通，电流经所述第三晶闸管和所述第三有极性电容组成的支路流通，或经所述第四晶闸管和所述第四有极性电容组成的支路流通，对负载供电；

f.检测到所述机械开关到达第二触点后，停止触发所述第二晶闸管支路。

所述步骤f之后还包括对所述第三有极性电容和所述第四有极性电容进行放电的步骤。

本发明有益的技术效果是：

根据本发明，在与机械开关并联的第一晶闸管支路中，第一晶闸管和第一有极性电容同向串联，第二晶闸管和第二有极性电容同向串联，第一晶闸管和第一有极性电容组成的支路与第二晶闸管和第二有极性电容组成的支路反向并联，一方面，由于晶闸管具有电流过零时自动断流以及切换时的高速特性，可以实现自身无触点无电弧切换，所以利用第一晶闸管支路可为电路主开关即机械开关减轻压力，消除机械开关在切换时出现的电弧，使得机械开关触点不会被电弧的高温所灼烧蒸发，从而大幅延长机械开关的寿命，同时晶闸管相对机械开关的快速响应还缩短了机械开关的缓慢速度给负载带来的停电时间；另一方面，有极性电容的存在可以降低晶闸管的功率，从而可以选择小功率的晶闸管，大幅降低了晶闸管成本，同时有极性电容还可以在晶闸管发生短路故障时代替晶闸管起到灭弧的作用，大幅降低负载电流，从而减小晶闸管故障对于负载的影响。即使在电流冲击下有极性电容受到冲击电流或者反向电流后出现故障，也会因为电容故障后为开路而使整个晶闸管支路开路，从而对负载没有影响。

附图说明

图1为本发明灭弧混合切换开关一个实施例的拓扑示图；

图2为本发明灭弧混合切换开关一个改进的实施例的电路图；

图3为本发明灭弧混合切换开关另一个优选实施例的电路图；

图4为本发明开关切换方法一个实施例的流程图；

图5为本发明一个实施例的混合开关实验电路原理图；

图6为传统机械开关切换时的电流、电压及电弧能量波形图；

图7为本发明实施例机械开关切换时的电流、电压及电弧能量波形图；

图8为本发明实施例中晶闸管短路故障后有极性电容的电流、电压及电弧能量波形图；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

请参考图1-3和图5，灭弧混合切换开关包括机械开关S和并联连接在机械开关的第一触点支路P1上的第一晶闸管支路，第一晶闸管支路包括第一晶闸管G1、第二晶闸管G2、第一有极性电容C1和第二有极性电容C2，所述第一晶闸管G1和所述第一有极性电容C1同向串联，所述第二晶闸管G2和所述第二有极性电容C2同向串联，所述第一晶闸管G1和所述第一有极性电容C1组成的支路与所述第二晶闸管G2和所述第二有极性电容C2组成的支路反向并联。本领域技术人员可理解，所称的“同向”是指相应的有极性电容和晶闸管的阴极和阳极从电流流向上有一致的顺序。

请参考图1，在一个实施例中，灭弧混合切换开关还包括及并联连接在机械开关的第二触点支路P2上的第二晶闸管支路。第二晶闸管支路包括第三晶闸管G3、第四晶闸管G4、第三有极性电容C3和第四有极性电容C4，所述第三晶闸管G3和所述第三有极性电容C3同向串联，所述第四晶闸管G4和所述第四有极性电容C4同向串联，所述第三晶闸管G3和所述第三有极性电容C3组成的支路与所述第四晶闸管G4和所述第四有极性电容C4组成的支路反向并联。

在如图1所示的ATS应用中，机械开关的第一触点支路P1与正常供电电源A相耦合，机械开关的第二触点支路P2与紧急供电电源B相耦合，机械开关在第一触点和第二触点之间切换以向负载R供电。

如图2所示，在一个优选的实施例中，在第一有极性电容C1上并接第一放电电路，第一放电电路优选包括串联的放电电阻R1以及放电双向晶闸管Ga，在第二有极性电容C2上并接第二放电电路，第二放电电路优选包括串联的放电电阻R2以及放电双向晶闸管Gb。第一放电电路和第二放电电路分别用于对第一有极性电容C1和第二有极性电容C2进行放电，消除残留的剩余电量，避免在机械开关下次切换回来时产生冲击。同样，对于第二晶闸管支路也可采用类似的电路设置。

进一步地，还可以在第一晶闸管G1、第二晶闸管G2上分别并联晶闸管缓冲电路(未图示)，晶闸管缓冲电路例如由串联的电容和电阻组成，用于吸收产生的电脉冲。晶闸管缓冲电路可采用RCD设计，以保护晶闸管免受脉冲电流电压的冲击，延长晶闸管的使用寿命。

如图3所示，在进一步优选的实施例中，将限流电阻R3(还可以增加电容)串联入第一晶闸管支路，通过增加第一晶闸管支路的阻抗，减小对大容量晶闸管的依赖，降低所需的晶闸管功率。此情形下应恰当地选择限流电阻R3的阻值(电容的容值)。因为当主晶闸管支路阻抗过大的时候，一旦超过了空气的阻值，在切换开关时电流就会从电阻值较小的空气流通，而不是晶闸管支路，从而使得电弧依旧存在。

本发明还提供一种用于前述的灭弧混合切换开关的开关切换方法，该方法一个实施例的流程如图4所示，包括以下具体步骤：

正常情况下，机械主开关应该处于第一触点处，第一晶闸管支路也处于截止状态。这时由于机械开关的阻抗很低，而晶闸管以及相应有极性电容的阻抗较大，电流全部从机械开关通过，电压降和导通损耗都几乎为零。

在步骤S0，当正常供电电源故障，需要切换到紧急电源时，系统会给出切换命令。接着，在步骤S1，触发第一晶闸管支路让其导通。然后，在步骤S2，机械开关开始动作，离开第一触点，向第二触点移动，这期间，电流通过第一晶闸管支路向负载R继续供电。

由于第一晶闸管支路中具有较大阻抗的第一有极性电容C1和第二有极性电容C2(具体规格可以按照实际需求选配)，所以会大幅降低通过第一晶闸管支路的电流，因此第一晶闸管G1和第二晶闸管G2可以选择采用小功率晶闸管。

在步骤S3，检测到机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离后，停止触发第一晶闸管支路，从而第一晶闸管支路的电流将会在过零点的时候自动截止。

上述过程实现了普通电源的无电弧关断。

优选地，在步骤S4，检测到第一晶闸管支路没有电流通过后，触发第二晶闸管支路导通并对负载供电。在第一、二晶闸管支路相继导通之间存在一段死区时间，避免了普通电源与紧急电源连在一起发生短路。机械开关到达第二触点后，电流从阻抗更小的机械开关上流过；在步骤S5，检测到机械开关到达第二触点时，停止对第二晶闸管支路的触发信号。该过程实现了紧急电源的无电弧切入。

在晶闸管出现短路故障时，图2中所示的第一晶闸管G1或第二晶闸管G2被短路，但有极性电容是有效的。因为有极性电容的等效阻抗较大，所以机械开关也不会被短路。在切换过程中，机械开关在离开原来的第一触点时有极性电容会吸收本用来产生电弧的能量，且电容的容量可设计为能吸收足够能量，直到机械开关移动到不会引发电弧的安全距离处为止。在晶闸管出现短路故障期间，普通电源会通过晶闸管支路的有极性电容向负载供电，且由于电容的大阻抗，所以到达负载的电流会非常的小，极大的降低了对负载的影响。即使在电流冲击下有极性电容受到冲击电流或者反向电流后出现故障，也会因为电容故障后为开路而使整个晶闸管支路开路，从而对负载没有影响。

在开关切换完之后，有极性电容里会残留有剩余的电量，如果不予以处理，会在下一次切换回此回路的时候对此回路造成冲击，所以优选增加步骤S3.1，在切换中间的空隙时间触发放电电路中的放电双向晶闸管，开通放电回路为电容放电，以便下次使用。

本发明的切换开关和切换方法利用了晶闸管的快速特性和电流过零时自动断流特性，同时利用了有极性电容降低了所需晶闸管的功率，实现了为机械开关灭弧的功能，并在切换后可继续使用机械开关导电，延续了机械开关良好的导电特性，降低了晶闸管导电时会带来的损耗，节约了能源。有极性电容的存在使得可以选用小功率晶闸管，大幅降低装置成本，同时还可以在晶闸管短路故障时，代替晶闸管起到灭弧的作用，并能大幅降低负载电流，减小晶闸管短路故障对负载的影响。

以48V(RMS值)交流电压、10A(RMS值)电流的实验环境对混合切换开关进行检验，电路原理图如图5所示。请参见图6至图8，通过与传统机械开关切换时产生的电信号波形进行比较，本发明的优点更为明显。

如图6所示，未使用晶闸管及有极性电容时产生电弧，有出现电弧时特有的电流和电压同时存在的波形。

如图7所示，在使用晶闸管以及有极性电容后，可观测到在闭合以及断开机械开关的时候并没有产生电弧，通过观察示波器对机械开关上的电流与电压的检测，也没有出现电弧时特有的电流和电压同时存在的波形，因此，本发明的混合切换开关的确能够实现灭弧的功能。

如图8所示，当晶闸管短路故障后，有极性电容依然可以起到灭弧作用，且切换后有极性电容的等效大阻抗会降低流到负载的电流，减小晶闸管故障对于负载的影响。从图中可以看出，之前10A(为有效值，下同)的负载电流降为1.7A的电容电流(等于此时负载电流)，减小了再度切换时对于负载的影响。在实际中，可以考虑使用容量更小的电容，从而获得更大的阻抗，将电容电流降得更小，以更好地保护负载。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种灭弧混合切换开关，包括机械开关和并联连接在所述机械开关的第一触点支路上的第一晶闸管支路，其特征在于，所述第一晶闸管支路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一有极性电容和第二有极性电容，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容同向串联，所述第二晶闸管和所述第二有极性电容同向串联，所述第一晶闸管和所述第一有极性电容组成的支路与所述第二晶闸管和所述第二有极性电容组成的支路反向并联。

2.如权利要求1所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联在所述第一有极性电容上的第一放电电路和并联在所述第二有极性电容上的第二放电电路。

3.如权利要求1所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括串联在所述第一晶闸管支路上的限流器件。

4.如权利要求1至3中任一项所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联在所述机械开关的第二触点支路上的第二晶闸管支路，所述第二晶闸管支路包括第三晶闸管、第四晶闸管、第三有极性电容和第四有极性电容，所述第三晶闸管和所述第三有极性电容同向串联，所述第四晶闸管和所述第四有极性电容同向串联，所述第三晶闸管和所述第三有极性电容组成的支路与所述第四晶闸管和所述第四有极性电容组成的支路反向并联。

5.如权利要求4所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联在所述第三有极性电容上的第三放电电路和并联在所述第四有极性电容上的第四放电电路。

6.一种用于根据权利要求1所述的灭弧混合切换开关的开关切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.发出开关切换信号；

b.触发所述第一晶闸管支路导通，电流经所述第一晶闸管和所述第一有极性电容组成的支路流通，或经所述第二晶闸管和所述第二有极性电容组成的支路流通；

c.使所述机械开关离开第一触点，电流经由所述第一晶闸管支路向负载继续供电；

d.检测到所述机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离时，停止触发第一双向晶闸管单元。

7.如权利要求6所述的开关切换方法，其特征在于，所述步骤d之后还包括对所述第一有极性电容和所述第二有极性电容进行放电的步骤。

8.如权利要求6或7所述的开关切换方法，其特征在于，所述步骤d之后还包括以下步骤：

e.检测到所述第一晶闸管支路无电流通过后，触发所述第二晶闸管支路导通，电流经所述第三晶闸管和所述第三有极性电容组成的支路流通，或经所述第四晶闸管和所述第四有极性电容组成的支路流通，对负载供电；

f.检测到所述机械开关到达第二触点后，停止触发所述第二晶闸管支路。

9.如权利要求8所述的开关切换方法，其特征在于，所述步骤f之后还包括对所述第三有极性电容和所述第四有极性电容进行放电的步骤。

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