CN103532218A - 一种快速双电源切换开关装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种快速双电源切换开关装置及其工作方法。涉及用于保证供电连续性切换开关及工作方法。能有效解决传统开关触头起弧、电能损失等问题。包括常用电源、备用电源、负载、断路器一和断路器二；还包括开关单元一、开关单元二、数据采集模块和总控制模块；开关单元一或开关单元二的结构为：包括全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管一、二，不可控半导体器件二极管一、二，缓冲电路一、二，及驱动电路一、二。降低了供电电源电压暂降、短时电压中断等问题对负荷造成的严重影响，保证供电系统安全稳定运行。本发明的电源切换时间达到毫秒级，可实现无缝切换，快速性和暂态特性都很理想，切实满足了敏感和关键负载对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

Description

一种快速双电源切换开关装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于保证供电连续性的快速双电源切换开关及其工作方法。

背景技术

   在目前的电力供电系统中，供电网络有时会由于大型冲击性或非线性负载的投切、雷击、负载故障等原因，导致供电电压出现暂降或者短时供电中断等问题，这会导致类似计算机服务器和数据处理器的某些不允许断电的设备出现供电终止，从而给大量的连续性生产行业、金融中心、数据中心、医院、交通运输等系统带来严重的后果，造成不可估量的经济损失甚至人员伤亡。鉴于此，对供电有特殊要求的行业，往往配置有备用供电电源。

在有备用电源的场合，为实现不间断供电，传统方法是用机械开关或者基于半控型器件的固态开关，将负荷从故障线段切换到无故障的母线上。这种机电开关本身固有的特性使得切换速度和暂态特性都不是十分理想，不可能做到“无缝隙”的切换，另外，机械开关在接通或断开时，会发生触头震动、起弧现象而造成触头蚀损、电磁干扰与电能损失，这不但限制了其使用范围，而且使其电气寿命低于机械寿命，而基于半控型器件的固态开关关断不可控，切换时间因此延长。

以绝缘栅双极型晶体管为代表的全控型半导体器件的通断时间可以达到微秒级，比半控型器件更易于控制，且在开关过程中不产生电弧。因此利用基于全控型半导体器件的电力电子开关代替或改造传统的机械切换开关，将有效解决传统机械开关的固有问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，满足敏感和关键负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

发明内容

本发明提供了一种快速双电源切换开关装置及其工作方法，能有效解决传统机械开关的触头起弧、电能损失等固有问题及半控型开关不可控的问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，满足敏感和关键负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

本发明的技术方案是：包括常用电源、备用电源、负载、断路器一和断路器二；所述断路器一设在所述常用电源和负载之间，所述断路器二设在所述备用电源和负载之间；

还包括开关单元一、开关单元二、数据采集模块和总控制模块；

所述开关单元一与所述断路器一并联连接；

所述开关单元二与所述断路器二并联连接；

所述常用电源、备用电源、负载分别与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块还与总控制模块具有通讯连接；

总控模块的控制信号输出端与所述开关单元一和开关单元二相连。

所述开关单元一或开关单元二的结构为：

包括全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管一、二，不可控半导体器件二极管一、二，缓冲电路一、二，及驱动电路一、二；

所述二极管一和绝缘栅双极型晶体管一反向并联、再并接缓冲电路一；所述驱动电路一连接所述绝缘栅双极型晶体管一的G极，构成以二极管一正极方向为接口A、负极方向为连接点一的子电路一；

所述二极管二和绝缘栅双极型晶体管二反向并联、再并接缓冲电路二；所述驱动电路二连接所述绝缘栅双极型晶体管二的G极，正极构成以二极管二方向为接口B、负极方向为连接点二的子电路二；所述连接点一和连接点二相连；

所述驱动电路一和驱动电路二分别连接所述的总控模块的控制信号输出端。

还包括人机互动模块，所述人机互动模块通过串口和总控制模块进行通信，实时显示各路的电压电流有效值，通过人机互动模块对开关单元一或开关单元二进行参数设置和启停的控制。

本发明的工作方法，按以下步骤进行：

1）、所述常用电源、备用电源均正常工作时，所述断路器一闭合、断路器二断开；开关单元一和开关单元二均保持备用状态，断路器一维持正常工作，继续保持常用电源对负载的供电；

2）、当常用电源侧发生电压暂降或瞬时中断时，总控模块根据数据采集模块的信息，向开关单元一和断路器一发出以下工作指令：

2.1）、触发启动开关单元一、关断断路器一；

2.2）、当总控模块判断断路器一已断开，同时常用电源侧的电流为零或者小于其门限值，同时保证负载母线上的残压也降为零或者备用电源和负载母线之间的电势差为零，立即触发开关单元二，由备用电源LB向负载供电，供电稳定后触发断路器二；

2.3）、由于机械开关的阻抗低，所以电流会再次转移至机械开关侧，换流完成后关断开关单元二，备用电源通过断路器二向负载供电。 

本发明利用绝缘栅双极型晶体管代替或改造传统的机械切换开关或半控型开关器件，与机械开关和现有的采用半控型器件作为开关单元本体的多电源切换开关相比，本发明的开关单元本体采用的绝缘栅双极型晶体管是全控型电力电子器件，器件的通断均可控，不论通过开关的电流是否过零，均能实时的控制其断开，这会大大提高其切换速度；且不会出现机械开关通断时引起的起弧现象，抑制环流的产生，延长了开关的使用寿命，加上精确的控制系统，可以使双电源间的切换时间控制在毫秒级，几乎可以实现双电源间的“无缝隙”切换，满足敏感和关键负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求，极大的降低了供电电源电压暂降、短时电压中断等问题对负荷造成的严重影响，保证供电系统安全稳定运行。本发明的电源切换时间达到毫秒级，可实现无缝切换，快速性和暂态特性都很理想，切实满足了敏感和关键负载对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明中开关单元的结构原理图；

图中10是接口A，11是绝缘栅双极型晶体管一，12是二极管一，13是连接点一，

    20是接口B，21是绝缘栅双极型晶体管二，22是二极管二，23是连接点二。

具体实施方式

本发明如图1、2所示：包括常用电源LA、备用电源LB、负载L、断路器一PS1和断路器二PS2；所述断路器一PS1设在所述常用电源LA和负载L之间，所述断路器二PA2设在所述备用电源LB和负载L之间；

还包括开关单元一、开关单元二、数据采集模块和总控制模块；

所述开关单元一与所述断路器一PS1并联连接；

所述开关单元二与所述断路器二PS2并联连接；

所述常用电源LA、备用电源LB、负载分别L与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块还与总控制模块具有通讯连接；

总控模块的控制信号输出端与所述开关单元一和开关单元二的控制极相连。总控模块输出的控制信号传送至驱动电路，驱动电路产生相应的驱动信号来控制开关单元。由于对开关单元中下述晶体管的开、断属于本领域常规技术，因此不再赘述。

所述开关单元一或开关单元二的结构为：

包括全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管一11、二21，不可控半导体器件二极管一12、二22，缓冲电路一、二，及驱动电路一、二；

所述二极管一12和绝缘栅双极型晶体管一11反向并联、再并接缓冲电路一；所述驱动电路一连接所述绝缘栅双极型晶体管一11的G极，构成以二极管一12正极方向为接口A10、负极方向为连接点一13的子电路一；

所述二极管二22和绝缘栅双极型晶体管二21反向并联、再并接缓冲电路二；所述驱动电路二连接所述绝缘栅双极型晶体管二21的G极，正极构成以二极管二22方向为接口B20、负极方向为连接点二23的子电路二；所述连接点一13和连接点二23相连；

所述驱动电路一和驱动电路二分别连接所述的总控模块的控制信号输出端。这样接收到总控模块的相关信号后，即可做出开、闭动作。这里需要解释一下的是：本发明中借用的“模块”这一术语是指代相应的电路。

还包括人机互动模块，所述人机互动模块通过串口和总控制模块进行通信，实时显示各路的电压电流有效值，通过人机互动模块对开关单元一或开关单元二进行参数设置和启停的控制。能显示常用和备用电源的电压 电流；还可以完成模式选择：手动模式或自动模式。

本发明的工作方法，按以下步骤进行：

1）、所述常用电源LA、备用电源LB均正常工作时，所述断路器一PS1闭合、断路器二PS2断开；开关单元一和开关单元二均保持备用状态，断路器一PS1维持正常工作，继续保持常用电源LA对负载L的供电；

2）、当常用电源侧LA发生电压暂降或瞬时中断时，总控模块根据数据采集模块的信息，向开关单元一和断路器一PS1发出以下工作指令：

2.1）、触发启动开关单元一、关断断路器一PS1；

2.2）、当总控模块判断断路器一PS1已断开，同时常用电源LA侧的电流为零或者小于其门限值，同时保证负载L母线上的残压也降为零，

或者备用电源LB和负载L母线之间的电势差为零，

立即触发开关单元二，由备用电源LB向负载L供电，供电稳定后触发断路器二PS2；

2.3）、由于机械开关的阻抗低，所以电流会再次转移至机械开关侧，换流完成后关断开关单元二，备用电源LB通过断路器二PS2向负载L供电。 

当检测到常用电源恢复正常后一段时间，总控制模块会输出相应的控制信号，关断备用电源侧开关单元二，电流降至零后，触发常用电源侧的开关单元一，继续由常用电源向负载供电。具体方法与前述相反，此处不再赘述。

下面进一步说明本发明的工作原理：

本发明在工作时，当双电源供电系统正常时，为了减小开关管通态损耗，常用电源LA是通过断路器一PS1为负载L供电的。而在初始为负载供电时，要同时触发常用电源侧的断路器一PS1和开关单元一，由于开关单元（开关单元控制的是N线）采用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是全控型器件，所以开关单元的通断是即时的，这样使断路器一PS1两端电压被钳位至很低，所以断路器一PS1导通过程不会出现起弧现象，待主控板接收到断路器一PS1的反馈信号后，立即关断开关单元一，则首电源（常用电源LA）、断路器一和负载形成通路。由数据采集模块实时的检测各路的电压、电流值，传输到总控制模块，总控模块通过串口通信发送检测值到人机互动模块显示；

当总控模块判断出常用电源LA侧发生电压暂降或瞬时中断时，总控模块控制端口输出控制信号，触发开关单元一，关断断路器一PS1，此过程也不会发生起弧现象，电流从断路器一PS1转移到开关单元一，然后总控模块会控制开关单元一断开。当总控模块判断断路器一PS1的反馈信号断开，同时主电源LA侧的电流为零或者小于其门限值，同时保证负载L母线上的残压也降为零或者备用电源LB和负载L母线之间的电势差为零，立即触发开关单元二，由备用电源LB向负载供电，供电稳定后触发断路器二PS2，由于机械开关的阻抗低，所以电流会再次转移至机械开关侧，换流完成后关断开关单元二，备用电源LB通过断路器二PS2向负载供电，此过程也不会发生起弧现象；由此实现双电源间的“无缝隙”切换，满足敏感负载对电能质量的苛刻要求。

当双电源均发生故障或者负载侧出现过流、短路或者环流时，总控制模块则要立即关断双电源侧的开关单元及断路器，停止为负载供电。

本发明在判断出供电电源出现电压暂降或中断故障时，会输出相应的触发信号，以控制常用和备用电源两侧的开关单元及断路器的通断，来达到快速（毫秒级）切换电源的目的。即常用侧发生故障时，利用开关单元一进行关断“过渡”；同步启用备用电源侧是，利用该侧的开关单元二进行连接“过渡”，在达到快速切换目的的同时，避免了断路器一、断路器二的硬关断、连接进而导致的起弧等弊端。

Claims (4)

1.一种快速双电源切换开关装置，包括常用电源、备用电源、负载、断路器一和断路器二；所述断路器一设在所述常用电源和负载之间，所述断路器二设在所述备用电源和负载之间；

其特征在于，还包括开关单元一、开关单元二、数据采集模块和总控制模块；

所述开关单元一与所述断路器一并联连接；

所述开关单元二与所述断路器二并联连接；

所述常用电源、备用电源、负载分别与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块还与总控制模块具有通讯连接；

总控模块的控制信号输出端与所述开关单元一和开关单元二相连。

2.根据权利要求1所述的一种快速双电源切换开关装置，其特征在于，所述开关单元一或开关单元二的结构为：

包括全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管一、二，不可控半导体器件二极管一、二，缓冲电路一、二，及驱动电路一、二；

所述二极管一和绝缘栅双极型晶体管一反向并联、再并接缓冲电路一；所述驱动电路一连接所述绝缘栅双极型晶体管一的G极，构成以二极管一正极方向为接口A、负极方向为连接点一的子电路一；

所述二极管二和绝缘栅双极型晶体管二反向并联、再并接缓冲电路二；所述驱动电路二连接所述绝缘栅双极型晶体管二的G极，正极构成以二极管二方向为接口B、负极方向为连接点二的子电路二；所述连接点一和连接点二相连；

所述驱动电路一和驱动电路二分别连接所述的总控模块的控制信号输出端。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速双电源切换开关装置，其特征在于，还包括人机互动模块，所述人机互动模块通过串口和总控制模块进行通信，实时显示各路的电压电流有效值，通过人机互动模块对开关单元一或开关单元二进行参数设置和启停的控制。

4.权利要求1所述的一种快速双电源切换开关装置的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行：

1）、所述常用电源、备用电源均正常工作时，所述断路器一闭合、断路器二断开；开关单元一和开关单元二均保持备用状态，断路器一维持正常工作，继续保持常用电源对负载的供电；

2）、当常用电源侧发生电压暂降或瞬时中断时，总控模块根据数据采集模块的信息，向开关单元一和断路器一发出以下工作指令：

2.1）、触发启动开关单元一、关断断路器一；

2.2）、当总控模块判断断路器一已断开，同时常用电源侧的电流为零或者小于其门限值，同时保证负载母线上的残压也降为零或者备用电源和负载母线之间的电势差为零，立即触发开关单元二，由备用电源LB向负载供电，供电稳定后触发断路器二；

2.3）、由于机械开关的阻抗低，所以电流会再次转移至机械开关侧，换流完成后关断开关单元二，备用电源通过断路器二向负载供电。

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