CN103368539B - 开关元件和开关系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种开关元件。该开关元件包括并联连接的若干开关组。每一开关组包括串联连接的若干功率开关和备用功率开关，备用功率开关为常闭开关。每一功率开关的额定功率和备用功率开关的额定功率都小于开关元件的额定功率，开关元件是模块化的。本发明还揭示一种使用所述开关元件的开关系统。此开关元件的可靠性较高。
Description
技术领域
本发明有关一种开关元件和开关系统，尤其涉及一种包括功率开关的开关元件和开关系统。
背景技术
目前，功率开关广泛地应用在电力系统中，其在电力系统中发挥着重要作用。传统的功率开关一般是一个单一开关，它在电路中闭合或打开使得电路连通或断开。电力系统中通常需要使用多个功率开关，每一个功率开关在电力系统中发挥着自己不可替代的作用。任意一个功率开关发生故障，系统都将不能工作，导致系统的可靠性很差。
因此，有必要提供一种开关元件和开关系统来解决上面提及的技术问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种开关元件。该开关元件包括并联连接的若干开关组，每一所述开关组包括串联连接的若干功率开关和备用功率开关，所述备用功率开关为常闭开关，每一所述功率开关的额定功率和备用功率开关的额定功率都小于所述开关元件的额定功率，所述开关元件是模块化的。
本发明的另一个方面在于提供一种开关系统。该开关系统包括：开关元件，包括若干功率开关，所述功率开关形成冗余阵列，所述功率开关的额定功率小于所述开关元件的额定功率，且所述开关元件是模块化的；检测电路，与所述开关元件连接，用来检测所述功率开关的传导状态并产生检测信号；及开关控制器，与所述开关元件和所述检测电路连接，用来根据所述检测信号产生开关控制信号以控制所述功率开关打开或闭合。
本发明的开关元件包括若干串、并联的功率开关，且用较小额定功率的功率开关组成较大额定功率的开关元件，可以提高开关元件的可靠性。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明开关元件的一个实施例的示意图；
图2所示为图1所示的开关元件在一种故障情况下的示意图，其中开关元件的一个功率开关短路；
图3所示为图1所示的开关元件在另一种故障情况下的示意图，其中开关元件的一个功率开关开路；
图4所示为本发明开关元件的另一实施例的示意图；
图5所示为图4所示的开关元件在一种故障情况下的示意图，其中开关元件的一个功率开关开路；
图6所示为图4所示的开关元件在另一种故障情况下的示意图，其中开关元件的一组串联的功率开关都短路；
图7所示为本发明开关元件的再一实施例的示意图；
图8所示为图7所示的开关元件在一种故障情况下的示意图；
图9所示为使用开关元件的开关系统的一个实施例的模块图。
具体实施方式
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为本发明的一个实施例的开关元件100的示意图。开关元件100是模块化的，具有输入端14和输出端15。开关元件100包括两组并联连接的开关组1、2，每一开关组1、2包括串联连接的两个功率开关11a和11b及11c和11d和一个备用功率开关12a、12b。功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b形成冗余阵列。每一功率开关11a、11b、11c、11d的额定功率和备用功率开关12a、12b的额定功率都小于开关元件100的额定功率。用较低额定功率的功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b组成较大额定功率的开关元件100。在图示的实施例中，功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b相同，故功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b的额定功率相等，即，功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b选用的是同型号的开关器件。在一些实施例中，开关组1、2、功率开关11a～11d和备用功率开关12a、12b的数量可以根据特定的应用而改变。例如，开关元件可包括两组以上的开关组，每一开关组可包括两个以上的功率开关和/或一个以上的备用功率开关。
功率开关11a～11d同时打开或闭合来决定开关元件100的开或合。功率开关11a～11d同时打开时，多个功率开关11a～11d可分担开关元件100承受的电压。备用功率开关12a、12b为常闭开关，当功率开关11a～11d工作正常的时候，备用功率开关12a、12b保持闭合。图2所示为开关元件100的一种故障情况，其中一个功率开关11a短路。备用功率开关12a与其他功率开关11b～11d同时打开或闭合，来代替出故障的功率开关11a。因为与备用功率开关12b串联连接的功率开关11c和11d工作性能正常，所以备用功率开关12b仍然保持关闭状态。因此，由于备用功率开关12a的替代，开关元件100仍可以打开和闭合。
图3所示为开关元件100的另一种故障情况，其中一个功率开关11a开路。功率开关11a所在的开关组1不能工作。另一开关组2工作正常，开关组2的功率开关11c和11d同时打开或闭合，备用功率开关12a保持闭合。在此情况下，开关元件100仍可工作。
图4所示为本发明另一实施例的开关元件200的示意图。开关元件200包括若干功率开关21a～21d和备用功率开关22a、22b。功率开关21a～21d和备用功率开关22a、22b相同且形成一个冗余阵列。开关元件200包括若干第一辅助开关23a～23f，每一第一辅助开关23a～23f与每一功率开关21a～21d或备用功率开关22a、22b并联连接。第一辅助开关23a～23f是常开开关，其默认状态为打开。当功率开关21a～21d和备用功率开关22a、22b工作正常时，第一辅助开关23a～23f保持打开状态。每一开关组3、4包括与功率开关21a～21d和备用功率开关22a、22b串联连接的第二辅助开关24a、24b。第二辅助开关24a、24b是常闭开关，其默认状态为闭合。当功率开关21a～21d和备用功率开关22a、22b工作正常时，第二辅助开关24a、24b保持闭合状态。
图5所示为开关元件200的一种故障情况，其中功率开关21a开路。此时，与功率开关21a并联连接的第一辅助开关23a闭合，且备用功率开关22a代替功率开关21a。因此，功率开关21a和备用功率开关22a所在的开关组3仍可工作，且开关元件200也可正常工作。在一些实施例中，第一辅助开关23a～23f是逻辑开关，例如，继电器、接触器等。
图6所示为开关元件200的另一种故障情况，其中同一开关组3的功率开关21a、21b和备用功率开关22a同时短路。此时，第二辅助开关24a打开，从而防止开关元件200短路。另一开关组4仍正常工作，因此开关元件200仍可工作。在一些实施例中，第二辅助开关24a、24b是逻辑开关，例如，继电器、接触器等。
图7所示为本发明再一实施例的开关元件300的示意图。开关元件300包括若干第三辅助开关35a～35d，每一第三辅助开关35a～35d具有一个公共端351和两个接触端352、353。功率开关31a～31f和备用功率开关32a～32c分别具有输入端311和输出端312。公共端351和其中一个接触端352分别连接其中一个开关组5、6的功率开关31b、31d或备用功率开关32a、32b的输入端311和输出端312。其中另一个接触端353与另一开关组6、7的功率开关31d、31f或备用功率开关32b、32c的输入端311连接。每一第三辅助开关35a～35d默认为闲置状态，也就是说，公共端351未与两个接触端352、353电连接。在一些实施例中，第三辅助开关35a～35d是单刀双掷开关。开关元件300还设有第一辅助开关33a～33e和第二辅助开关34a～34c。
图8所示为开关元件300的一种故障情况，功率开关31b、31c和备用功率开关32a、32b出故障。其中，功率开关31b、31c开路，备用功率开关32a、32b短路。第三辅助开关35a的公共端351电连接至第三辅助开关35a的接触端353，因此不同开关组5、6的功率开关31a和功率开关31d组成一个新的能够工作的开关组。从而可对不同开关组的功率开关进行重组，使得开关元件300在一些功率开关出故障的情况下仍然能够工作且发挥其最大的效能。
在一些实施例中，备用功率开关可作为功率开关使用，备用功率开关与功率开关同时打开或闭合。功率开关、备用功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关和第三辅助开关可根据不同的应用需要选择并组合，并且这些开关的数量也可根据应用环境来改变。功率开关、备用功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关和第三辅助开关的组合使用可加强开关元件的可靠性，从而加强使用这些开关元件的系统的可靠性。另外，图示的故障情况只是列举了几种故障情况，并没有穷举所有故障，在其他的一些故障下，开关元件仍可以工作并发挥其作用。
图9所示为本发明的一个实施例的开关系统400的示意图。开关系统400包括开关元件401、与开关元件401连接的检测电路402及与开关元件401和检测电路402连接的开关控制器403。开关元件401可以是图1、4和7所示的开关元件100、200、300中的任意一种，但不限于图1、4和7所示的开关元件100、200、300。检测电路402用来检测功率开关的传导状态并产生表明传导状态的检测信号。
开关控制器403用来根据检测信号产生开关控制信号以控制各个开关打开或闭合，包括功率开关、备用功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关和第三辅助开关。开关控制器403驱动功率开关打开或闭合，设置备用功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关和第三辅助开关的默认状态，在故障情况下驱动备用功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关和第三辅助开关的开闭等。在一些实施例中，开关控制器403包括功率开关控制器(未图示)和逻辑开关控制器(未图示)。功率开关控制器驱动功率开关和备用功率开关。逻辑开关控制器根据检测信号控制逻辑开关，包括第一辅助开关、第二辅助开关及第三辅助开关，以在故障情况下对开关元件401的该些开关进行重组，保证开关元件401仍可以工作。在一些实施例中，逻辑开关控制器是嵌入式的智能控制器。
在一些实施例中，检测电路402检测功率开关的故障状态，当检测电路402检测到功率开关出故障时，发出故障信号给开关控制器403。开关控制器403根据故障信号选择控制方案，以保证开关元件401在故障情况下仍可工作，从而提高开关系统400的可靠性。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (11)
1.一种开关元件，其特征在于：该开关元件包括并联连接的若干开关组，每一所述开关组包括串联连接的若干功率开关和备用功率开关，所述备用功率开关为常闭开关，每一所述功率开关的额定功率和备用功率开关的额定功率都小于所述开关元件的额定功率，所述开关元件是模块化的，所述开关元件进一步包括若干第一辅助开关，所述第一辅助开关是常开开关，所述第一辅助开关与所述功率开关或所述备用功率开关并联连接。
2.如权利要求1所述的开关元件，其特征在于：每一所述功率开关和所述备用功率开关分别并联连接一个所述第一辅助开关。
3.如权利要求2所述的开关元件，其特征在于：所述第一辅助开关是逻辑开关。
4.如权利要求1所述的开关元件，其特征在于：每一所述开关组进一步包括与所述功率开关和所述备用功率开关串联连接的第二辅助开关，所述第二辅助开关是常闭开关。
5.如权利要求4所述的开关元件，其特征在于：所述第二辅助开关是逻辑开关。
6.一种开关元件，其特征在于：该开关元件包括并联连接的若干开关组，每一所述开关组包括串联连接的若干功率开关和备用功率开关，所述备用功率开关为常闭开关，每一所述功率开关的额定功率和备用功率开关的额定功率都小于所述开关元件的额定功率，所述开关元件是模块化的，所述开关元件进一步包括若干第三辅助开关，每一所述第三辅助开关具有一个公共端和两个接触端，所述功率开关和所述备用功率开关分别具有输入端和输出端，所述公共端和其中一个所述接触端分别连接其中一个所述开关组的功率开关或备用功率开关的输入端和输出端，其中另一个所述接触端与另一所述开关组的功率开关或备用功率开关的所述输入端连接。
7.如权利要求6所述的开关元件，其特征在于：所述功率开关和所述备用功率开关的额定功率相等。
8.一种开关系统，其特征在于：该开关系统包括：
开关元件，包括若干功率开关，所述功率开关形成冗余阵列，所述功率开关的额定功率小于所述开关元件的额定功率，且所述开关元件是模块化的，所述冗余阵列包括并联连接的至少两组开关组，每一所述开关组包括至少三个串联连接的所述功率开关，在每一所述开关组中至少一个所述功率开关是常闭开关，所述冗余阵列进一步包括若干第一辅助开关，所述第一辅助开关是常开开关，所述第一辅助开关与所述功率开关并联连接；
检测电路，与所述开关元件连接，用来检测所述功率开关的传导状态并产生检测信号；及
开关控制器，与所述开关元件和所述检测电路连接，用来根据所述检测信号产生开关控制信号以控制所述功率开关打开或闭合。
9.如权利要求8所述的开关系统，其特征在于：每一所述第一辅助开关与每一所述功率开关并联连接。
10.如权利要求8所述的开关系统，其特征在于：每一所述开关组进一步包括与所述功率开关串联连接的第二辅助开关，所述第二辅助开关是常闭开关。
11.如权利要求8所述的开关系统，其特征在于：所述冗余阵列进一步包括若干第三辅助开关，每一所述第三辅助开关具有一个公共端和两个接触端，每一所述功率开关具有输入端和输出端，所述公共端和其中一个所述接触端分别连接其中一个所述开关组的功率开关的输入端和输出端，其中另一个所述接触端与另一所述开关组的功率开关的所述输入端连接。
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