CN101958573A - 灭弧混合切换开关和开关切换方法 - 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串联连接的第一双向晶闸管单元和第一无极性电容。本发明还公开了一种为机械开关灭弧的开关混合切换方法。由于设置了第一无极性电容，从而可以选择小功率的晶闸管，因此大幅降低了晶闸管成本；同时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，减小晶闸管故障对于负载的影响。

Description

灭弧混合切换开关和开关切换方法

技术领域

本发明涉及可以安装在工业上广泛使用的自动转换开关(ATS)上的电力电子装置，特别是一种使用低成本小功率晶闸管以及无极性电容为大功率机械开关灭弧的混合切换开关及开关切换方法。

背景技术

自动转换开关(ATS)广泛应用于各种场合，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。但是由于其主要切换部件为机械开关，所以有切换速度慢(20ms左右)，容易引起电弧等缺点。其中，机械开关在切换时出现的电弧会产生高温，灼烧并蒸发机械开关的金属触点，大幅缩短开关的使用寿命。

静态转换开关(STS)同样广泛应用于各种对切换速度要求严格的场合，同样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。但是由于其主要切换部件为晶闸管，虽然切换速度比ATS大幅提高(小于3ms)，但晶闸管作为其半导体而非导体的性质，所以会有比机械开关作为导体大得多的导通压降，增加了导通损耗。同样因为大功率晶闸管的高昂造价，也大幅提高了产品成本。一台STS甚至比同容量的UPS还要昂贵。

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，是每个客户对于开关极其迫切的要求。

单纯的使用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，而且提供产品的供应商也很少，因此使这样设计在市场上失去竞争力。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切换方法，实现灭弧切换的同时降低了对晶闸管的大功率要求，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，其特征在于，所述第一晶闸管支路包括串联连接的第一双向晶闸管单元和第一无极性电容。

优选地，还包括并联连接在所述第一双向晶闸管单元上的晶闸管缓冲电路。

优选地，还包括并联连接在所述第一无极性电容上的放电电路。

优选地，还包括并联连接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串联连接的第二双向晶闸管单元和第二无极性电容。

优选地，还包括并联连接在所述第二双向晶闸管单元上的晶闸管缓冲电路。

优选地，还包括并联连接在所述第二无极性电容上的放电电路。

一种为机械开关灭弧的开关切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.发出开关切换信号；

b.触发第一双向晶闸管单元导通；

c.触发机械开关离开第一触点，电流经由串接的第一双向晶闸管单元和第一无极性电容向负载供电；

d.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，停止触发第一双向晶闸管单元。

优选地，所述步骤d之后还包括对第一无极性电容进行放电的步骤。

优选地，所述步骤d之后还包括以下步骤：

e.检测到第一双向晶闸管单元无电流通过后，触发第二双向晶闸管单元导通，电流经由第二双向晶闸管单元和第二无极性电容对负载供电；

f.检测到机械开关到达第二触点后，停止触发第二双向晶闸管单元。

优选地，所述步骤f之后还包括对第二无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，灭弧混合切换开关包括机械开关和并联连接在机械开关的第一触点支路上的第一晶闸管支路，其中第一晶闸管支路包括串联连接的第一双向晶闸管单元(可以是双向晶闸管或反向并接的2个晶闸管)和第一无极性电容。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，所以利用第一双向晶闸管单元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；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，第一无极性电容则可以降低晶闸管的功率，从而可以选择小功率的晶闸管，由于不需要使用异常昂贵的大功率晶闸管，因此大幅降低了晶闸管成本；同时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。

在优选的实施例中，还设置放电电路，在两次切换的中间空隙利用放电电路对第一无极性电容进行放电，消除残留的剩余电量，避免在下一次切换回第一晶闸管支路时造成冲击。

在优选的实施例中，还设置晶闸管缓冲电路，保护第一双向晶闸管单元免受脉冲电流电压的冲击，延长晶闸管的使用寿命。

附图说明

图1为本发明混合切换开关的应用示意图；

图2为本发明一种实施例灭弧装置主要电路图；

图3为本发明一种实施例开关切换方法的流程图；

图4为本发明一种实施例的混合开关实验电路原理图；

图5为无晶闸管与电容时的电弧波形图；

图6为采用晶闸管与电容后的机械开关的波形图；

图7为晶闸管断路故障后波形；

图8为本发明另一种实施例灭弧装置主要电路图。

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1，一种实施例的灭弧混合切换开关包括机械开关S、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以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。第一晶闸管支路包括串联连接的第一双向晶闸管单元G1和第一无极性电容C1。第二晶闸管支路包括串联连接的第二双向晶闸管单元G2和第二无极性电容C2。第一、二双向晶闸管单元可以是一个双向晶闸管或反向并接的2个晶闸管。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，在优选的实施例中，可在第一双向晶闸管单元G1上并接晶闸管缓冲电路，优选包括串联连接的电容C3和电阻R2，用于吸收产生的电脉冲。晶闸管缓冲电路优选可采用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。还可在第一无极性电容C1上并接放电电路，放电电路优选包括串联连接的放电电阻R1以及放电双向晶闸管G3，用于对无极性电容进行放电，消除残留的剩余电量，避免在机械开关下次切换回来时造成冲击。同样，对于第二晶闸管支路也可采用类似的电路设置。

一种实施例的开关切换方法的流程如图3所示，具体步骤如下：

正常情况下，机械主开关应该处于第一触点处，第一双向晶闸管单元G1也处于截止状态。这时由于机械开关的阻抗很低，而晶闸管以及无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。

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(步骤0)。之后，触发第一双向晶闸管单元G1让其导通(步骤1)。然后机械开关开始动作，离开第一触点，向第二触点移动(步骤2)，这期间，电流会流进第一晶闸管支路向负载R继续供电，实现机械开关无电弧切换。由于第一晶闸管支路中具有较大阻抗的第一无极性电容C1(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双向晶闸管单元G1的电流，因此第一双向晶闸管单元G1可以选择采用小功率晶闸管。在检测装置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，会停止触发第一双向晶闸管单元G1(步骤3)，从而第一双向晶闸管单元G1的电流将会在过零点的时候自动截止，实现了无触点静态开关。

在检测装置检测到第一双向晶闸管单元G1没有电流通过后，触发第二双向晶闸管单元G2让其导通并对负载供电(步骤4)。在第一、二晶闸管单元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；检测到机械开关到达第二触点时，撤销对第二双向晶闸管单元G2的触发信号(步骤5)。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中所示的晶闸管单元被短路，此时晶闸管支路中还剩下无极性电容是有效的。因为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会有电容吸收本用来产生电弧的能量，且电容的容量被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。在这期间，普通电源会通过晶闸管支路的无极性电容向负载供电，但由于电容的大阻抗，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。

在开关切换完之后，无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(步骤3.1)。

双向晶闸管单元由于自身的设计无法避免的会有自身的结电容，导通的时候，会在换向的时刻产生小的脉冲电压和脉冲电流，对电路里其他元件甚至是晶闸管自身造成冲击与损害，所以使用一个由电容以及电阻构成的晶闸管缓冲电路吸收产生的脉冲。

本发明通过对不同的元件在不同时期的使用，在切换时利用了晶闸管的快速特性和电流过零时自动断流特性，同时利用了无极性电容降低了所需晶闸管的功率，实现了在开与关时都能为机械开关灭弧的功能。并在切换后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。无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4所示。

如图5所示，未使用晶闸管及电容时则有电弧，电压和电流同时出现。

如图6所示，在使用晶闸管以及无极性电容后，可观测到在闭合以及断开机械开关的时候并没有发生电弧，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7所示，当晶闸管短路故障后，无极性电容依然可以起到灭弧作用，切换后，无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。

如图8所示，在一种实施例中，还将限流电阻R3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的阻值和电容C1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。

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 (10)

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串联连接的第一双向晶闸管单元和第一无极性电容。

2.如权利要求1所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联连接在所述第一双向晶闸管单元上的晶闸管缓冲电路。

3.如权利要求1所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联连接在所述第一无极性电容上的放电电路。

4.如权利要求1至3任一项所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联连接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串联连接的第二双向晶闸管单元和第二无极性电容。

5.如权利要求4所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联连接在所述第二双向晶闸管单元上的晶闸管缓冲电路。

6.如权利要求4所述的灭弧混合切换开关，其特征在于，还包括并联连接在所述第二无极性电容上的放电电路。

7.一种应用于根据权利要求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.触发第一双向晶闸管单元导通；

c.触发机械开关离开第一触点，电流经由串接的第一双向晶闸管单元和第一无极性电容向负载供电；

d.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，停止触发第一双向晶闸管单元。

8.如权利要求7所述的开关切换方法，其特征在于，所述步骤d之后还包括对第一无极性电容进行放电的步骤。

9.如权利要求7或8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.检测到第一双向晶闸管单元无电流通过后，触发第二双向晶闸管单元导通，电流经由第二双向晶闸管单元和第二无极性电容对负载供电；

f.检测到机械开关到达第二触点后，停止触发第二双向晶闸管单元。

10.如权利要求9所述的开关切换方法，其特征在于，所述步骤f之后还包括对第二无极性电容进行放电的步骤。

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