CN104638633A - 复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置(DCS)，其特征是，由控制器A、机械开关(有触点开关)K通道、电力电子主开关(无触点开关)T1通道及动态反偏置电路构成，利用无触点开关通断电路无电弧的优势，在带载接通时保证无触点主开关T1通道先通而机械开关K通道后通，在带载断路时保证机械开关K通道先断而无触点主开关T1通道后断，从而规避开关K带载通断直流的电弧风险，其动态反偏置控制电路由二极管D、电力电子开关(无触点控制开关)T2、电压源E、电容C构成，用途是根据A的指令强制关断T1。

Description

复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置
技术领域
本专利涉及大功率直流开关领域，特别是涉及中压(U＞500V)和高压(U＞1000V)大功率直流开关领域，主要针对大功率直流开关通断瞬间的防电弧技术和对半控件无触点开关的直流带载关断技术。
背景技术
众所周知：各类直流机械开关(有触点开关)在带载接通前的瞬间和刚刚带载断开的瞬间所形成的电弧都是触点两端电压所形成的电场击穿空气(电离)造成的，若在接通前和断开后的瞬间触点两端无电压则不会有电弧发生。而在近年来兴起的各类直流供电系统中，运行中不允许中断直流供电的负载(如地铁、有轨和无轨电车、电动列车、应急电源的逆变器等)愈来愈多，这些负载在正常情况下由直流工作电源(附图中的E01)供电，而在直流工作电源突然因故停电时则应急工作电源(附图中的E02)必须瞬间接替工作电源继续向负载供电，而应急电源接通前的瞬间，其主触点的入、出两端存在额定电压，因此其接通过程难免产生严重电弧，不仅如此，在负载未解除的情况下若因特殊需要而瞬间切断应急电源的供电，则主触点两端也会因电压的存在而产生严重的电弧，为避免电弧引发恶性事故和毁坏开关装置，用于直流主回路通断的开关装置必须考虑灭弧措施，这就引起直流开关设备结构复杂、体积庞大和成本大大提高。大功率电力电子开关(即无触点开关)器件和模块问世后，由于其导通是扩散的结果而关断(截止)是停止扩散的结果，其过程中不产生电弧，所以人们曾经试图采用此类无触点开关代替各类机械开关，但电力电子开关大功率持续在线工作所造成的大量损耗又能形成严重的热隐患，给系统设备的安全和可靠造成严重威胁，且半控型无触点开关(晶闸管类)不能带载关断直流，全控型无触点开关的控制极耐受干扰信号的能力较差，容易出现误动作，影响系统可靠性和安全性，因此，电力电子开关无法替代有触点开关在线工作，大功率带载通断直流电路一直成为直流开关领域内棘手的课题。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对大功率直流电路带载通断所存在的灭弧难题提供一种智能型大功率无电弧直流母线接触装置，又针对半控型无触点开关不能关断直流的难题提供一种动态反偏置电路，使半控型无触点开关可以关断直流，还通过控制器的控制来保证无触点开关通道只在应急直流电源投入或退出瞬间承载负荷电流而其他时间不承载电，其基本结构是：由机械开关(有触点开关)通道和电力电子开关(无触点开关)通道构成直流应急电源输出的双通道结构，连接于直流应急电源E02和直流输出母线M+之间。
根据双通道结构中无触点开关的不同选择和用法，无电弧型大功率直流母线接触装置可以分成半控式(无触点开关器件的控制极只对导通起作用而对截止不起作用)、全控式(无触点开关的控制极即能控制导通也能控制截止)和复合式(既有半控器件也有全控器件)三种类型，本专利所述的是复合式无电弧型大功率直流母线接触装置(即附图3中的“DCS”)，其特征在于：由控制器A、有触点主开关K、无触点主开关T1及其动态反偏置控制电路构成， 其动态反偏置控制电路由无触点控制开关T2、电压源E、电容C及二极管D构成。T1的正极与K主触点的入端连接后直接与应急直流电源E02的正极母线(2M+)相接，T1的负极分别与K主触点的出端、T2的负极、D的正极相接后共同连接直流输出母线的正极(M+)，二极管D的负极接电容C的正极和电压源E的负极，电压源E的正极接T2的正极，C的负极连直流输出母线的负极(M-)。T1和T2的控制极接控制器A，A还连接K的控制线圈、工作电源监测仪表V、还可以监测输出负载。
本发明以防电弧为目的，利用无触点开关带载通断无电弧的优势而避开持续在线的热隐患弊端，利用有触点开关在线承载电流损耗低的优势而避开其带载通断产生电弧的弊端，通过控制使二者互相取长补短，保证应急直流投入时T1先导通而K的主触点后闭合，保证直流应急电源退出时K的主触点先断开而T1后截止，T1只在通或断的瞬间独立承载电流，即规避带载通断直流的电弧难题，又避免了T1持续独立承载电流引发热隐患事故的威胁，还通过动态反偏置电路控制使半控型无触点开关T1可以关断带载直流电路。
实施本专利使直流应急电源E02在紧急情况下既能快速无电弧投入，又能速无电弧退出，还因避免了T1的满载热在线工况而避开了热隐患风险。
附图说明
图1所示的直流供电系统图中配置的DCS为有触点开关型，其致命缺点是K2在通断过程中产生电弧。
图2所示的直流供电系统图中配置的DCS为无触点开关型，其致命缺点是在线发热存在热隐患，且存在不能关断直流或容易误动作等问题。
图3所示的直流供电系统图中配置的DCS为本专利所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置。
图中：E01：直流工作电源，E02：直流应急电源，DCS：直流母线接触装置。
具体实施方式
如图3所示，复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS由控制器A、有触点主开关K、无触点主开关T1及其动态反偏置控制电路构成，动态反偏置控制电路由无触点控制开关T2、电压源E、电容C及二极管D构成。其T1的正极与应急直流电源E02的母线正极、K主触点的入端共点连接，T1的负极与K主触点的出端、T2的负极、二极管D的正极、输出母线的正极M+共点连接，二极管D的负极与电容C的正极、电压源E的负极共点连接，电压源E的正极连接无触点控制开关T2的正极，C的负极连接放电母线的负极M-。T1和T2的控制极接控制器A，A还连接K的控制线圈、直流工作电源E01的监测仪表V及输出负载监测端。
原理简述：在控制器A的监测和控制作用下，当直流工作电源E01正常时，K的接点自动断开、T1和T2自动截止、直流负载功率由直流工作电源直接提供；当监测到电源E01骤停或异常故障信号时，T1自动导通、T2保持可靠截止、K的接点继T1导通后自动闭合(T1的导通使K接点闭合前已无压差，因此其闭合不产生电弧)，直流负载功率改由E02应急电源提供；当监测到母线或负荷故障(严重过载或短路或其他紧急情况)或收到人工输入紧急停电指令等信号时，T1自动保持可靠导通，K的触点自动断开(此时K的触点开断因T1的导通 而变成无电压开断，所以无电弧产生)，然后T2自动导通，动态反偏置电路起作用，T1因正负极进入电压反偏置状态而自动截止。
所述有触点主开关K，可以是不带灭弧装置的普通电控类机械开关或储能类转换开关。
所述无触点主开关T1，在本专利中是指可控硅(SCR)类半控型(控制极只对导通起控制作用)电力电子原件或模块。
所述无触点主开关T2，本发明中指全控型电力电子器件或模块(如：GTR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、BSIT、SITH、IPM、PIC、MOSFET或P-MOSFET等)
所述二极管D可以是各种二极管。
所述电容C可以是各类储能电容。
所述反偏置电源E可以是各类蓄电池或各种电压源(含有源型和无源型)。
本发明可以推广应用在各种领域内需要带载通断大功率直流的配电或控制回路中，从而避免电弧危害和简化直流开关装置。
本发明是通过实例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本专利的精神和范围的情况下，可以对本发明所述特征和实例进行改变或等效替换。因此，本发明不受此处公开的具体实施例的限制，只要是在强电领域内为规避电弧而构建无触点和有触点双开关通道的实施例都属于本发明的保护范围。
然而，随着技术的进步，在本专利的思路指引下，经过其他思路或技术的配合，本专利会被应用于其他技术装置或设计方案中解决或改进更高级的技术壁垒，考虑到技术进步思路的共享会推动更多领域的技术进步，有利于技术变革和发展的大局，故只要解决的问题和应用范围与本专利不同，即使是全部套用了本专利的思路，也不会被本专利权人视为侵权行为。

Claims (8)

1.复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征是：由控制器A、有触点主开关(机械开关)K、无触点主开关(电力电子开关)T1及动态反偏置控制电路构成，其动态反偏置控制电路由无触点控制开关(电力电子开关)T2、电压源E、电容C及二极管D构成，带载工况下，直流工作电源E01正常时，K的接点自动断开，T1和T2自动截止；E01故障停电时，T1自动导通、K的接点继T1导通后自动闭合，直流应急电源E02瞬间接替E01向负载供电(此间T1可以截止、也可以继续导通)，如遇系统急停指令或负载故障信号时，K的主触点在T1可靠导通的情况下自动断开，之后T2自动导通，T1因T2导通而进入反偏置状态立即截止，E02的输出实现无电弧中断。
2.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：无触点主开关T1，在本发明中专指半控型电力电子器件或模块(SCR类)，其正极与K主触点的入端相接后连接直流应急电源(E02)的正极母线(2M+)，其负极与K主触点的出端、T2的负极、D的正极及输出母线正极(M+)共点连接，其控制极连接控制器A。
3.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：有触点主开关K，可以是无灭弧装置的普通电控类机械开关，也可以是储能类机械开关，其主触点的入端与T1的正极及备用直流电源E02母线的正极(2M+)共点连接，其主触点的出端与T1的负极、T2负极、D的正极及输出母线的正极(M+)共点连接。
4.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：无触点控制开关T2，本发明中指全控型电力电子器件或模块(如：GTR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、BSIT、SITH、IPM、PIC、MOSFET或P-MOSFET等)，其正极连接电压源E的正极，其负极与T1的负极、D的正极、K主触点的出端及输出母线的正极(M+)共点连接，其控制极连接控制器A。
5.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：电压源E，可以是电池或各类电压源，其正极连接无触点开关T2的正极，其负极接电容C的正极并连接二极管D的负极。
6.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：二极管D，可以是普通或专用二极管，其正极接输出母线的正极M+，其负极接电容C的正极。
7.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于：电容C，其正极接二极管D的负极，负极接输出母线的负极M-。
8.根据权利要求1所述的复合件智能型大功率无电弧直流母线接触装置DCS，其特征在于，控制器A，可以是各类单片机、各类工控机、各类可编程控制器或控制仪表等，有条件的情况下也可借用工作电源系统内整流器或充电器或逆变器的智能监测与控制功能完成A的功能，其控制线连接K的线圈、T1和T2的控制极，还可以连接主、备电源系统的相关监测、控制仪表及输出装置等。
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