CN105634455B - 闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法，装置包含闸流体交流开关、第一开关、第二开关、第一电容器及第二电容器。闸流体交流开关连接于第一交流电路及第二交流电路之间。第一交流电路经闸流体交流开关供应交流电流至第二交流电路。第一开关及第一电容器串联后并联连接于第一交流电路。第二开关及第二电容器串联后并联连接于第二交流电路。闸流体交流开关需截止时，依交流电流的第一方向利用第一开关导通第一电容器，由交流电流对第一电容器充电；闸流体交流开关需截止时，依交流电流的第二方向利用第二开关导通第二电容器，由交流电流对第二电容器充电，如此强制流经闸流体交流开关的电流迅速降低至趋近于零，以快速捷止闸流体交流开关。
Description
技术领域
本发明关于一种闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法；特别是关于一种闸流体交流双向开关的快速截止装置及其操作方法。
背景技术
一般而言，开关元件包含主动式开关元件及机械式开关元件。机械式开关元件应用于交流电路时，需要具备足够的断开能力及消弧能力。
另外，机械式开关元件在切离过程中皆产生电弧，其会造成接点的容易损坏，并具有降低其使用寿命的缺点。为了改善机械式开关元件的前述缺点，选择采用主动式开关元件。一般而言，主动式开关元件选用金氧半场效电晶体〔MOSFET〕或闸极绝缘双极性电晶体〔IGBT〕，其提供硬切〔hard switching〕功能。主动式开关元件无论应用于交流或直流电路中，在开关截止时，皆能有效快速将电流截止，且具有不产生电弧的优点。虽然主动式开关元件具有高速切换的优点，但其所能承受的电压与电流较低，且无法承受暂态瞬间大电流，因此其具有可靠度较低的缺点。
另外，闸流体元件为良好的高功率元件，其具有耐较高电压及较大涌浪电流的优点，且具有使用范围广、寿命长、可靠度佳、速度快、体积小、维护频率低、消耗功率低、制造成本低及不易烧毁的优点。然而，将闸流体开关元件应用于交流电路时，该闸流体开关元件具有在驱动信号截止后，因无法立即截止而尚需等待该闸流体开关元件的电流下降趋近于零，方能截止该闸流体开关元件的导通，因此具有无法快速将闸流体开关元件截止的缺点。
举例而言，常用交流/直流开关，如中国台湾专利公开第201106623号的″交流-直流两用开关″及美国专利公开第20120086427号″Alternating current/direct currenttwo-way switch″的申请案，其揭示一种交流-直流两用开关。该交流-直流两用开关可使用在交流配电系统或直流配电系统。该交流-直流两用开关包含一双向半导体开关元件〔bi-directional semiconductor switch element 〕，其具有电晶体构造〔transistorstructure〕。该交流-直流两用开关应用于直流配电系统时，可避免发生电弧〔arc〕。前述专利及专利申请案仅为本发明技术背景的参考及说明目前技术发展状态而已，其并非用以限制本发明的范围。
举例而言，另一常用交流/直流开关，如美国专利第7079363号″Hybrid DCelectromagnetic contactor″，其揭示一种混合直流电磁接触器。该混合直流电磁接触器将一半导体开关元件并联至一机械式接触开关〔mechanical contact switch〕，如此在操作开启或断开该混合直流电磁接触器时，可避免发生电弧，并可减少漏电电流〔1eakagecurrent〕至最小。前述专利及专利申请案仅为本发明技术背景的参考及说明目前技术发展状态而已，其并非用以限制本发明的范围。
发明内容
本发明较佳实施例的主要目的是提供一种闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法，将一闸流体交流开关连接至一第一交流电路，当该闸流体交流开关导通时，该第一交流电路进行供电至一第二交流电路，而在该闸流体交流开关需截止时，利用一开关进行导通一电容器，以便将流经该闸流体交流开关的电流导引至对该电容器进行充电，如此该闸流体交流开关的电流可快速下降至趋近于零，以达成确实快速截止该闸流体交流开关的目的。
为了达成上述目的，本发明采用以下技术方案；
一种闸流体交流开关的快速截止装置，包含：
一闸流体交流开关，其连接于一第一交流电路及一第二交流电路之间，以便在该闸流体交流开关导通时，经由该闸流体交流开关进行供应一交流电流；
一第一开关，其为一闸流体开关或一固态开关；
一第一电容器，其串联于该第一开关后，并联连接于该第一交流电路；
一第二开关，其为一闸流体开关或一固态开关；及
一第二电容器，其串联于该第二开关后，并联连接于该第二交流电路；
其中在该闸流体交流开关需截止时，依该交流电流的一第一方向利用该第一开关进行导通该第一电容器，以便由该交流电流对该第一电容器进行充电，因而该闸流体交流开关的电流可快速下降至趋近于零，如此该闸流体交流开关快速截止；
或，在该闸流体交流开关需截止时，依该交流电流的一第二方向利用该第二开关进行导通该第二电容器，以便由该交流电流对该第二电容器进行充电，因而该闸流体交流开关的电流可快速下降至趋近于零，如此该闸流体交流开关快速截止。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关具有一第一交流电路端及一第二交流电路端，且该闸流体交流开关连接于第一交流电路及第二交流电路之间。
本发明较佳实施例选择该第一电容器的两端并联连接一第一放电电路，且该第一放电电路包含一第一电阻及一第一放电开关的串联，及选择该第二电容器的两端并联连接一第二放电电路，且该第二放电电路包含一第二电阻及一第二放电开关的串联。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关另包含一第一机械式开关，且该第一机械式开关并联连接于该闸流体交流开关，以形成一混合式开关。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关另包含一第二机械式开关，且该第二机械式开关串联连接至该闸流体交流开关，以形成一隔离型开关。
为了达成上述目的，本发明较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法包含：
将一第一闸流体开关元件及一第二闸流体开关元件反向并联后连接于一第一交流电路及一第二交流电路之间，且该第一闸流体开关元件及第二闸流体开关元件在反向并联后形成一闸流体交流开关；
将一第一开关及一第一电容器串联后并联连接于该第一交流电路；
将一第二开关及一第二电容器串联后并联连接于该第二交流电路；
在该第一闸流体开关元件导通时，经由该第一闸流体开关元件进行供应一交流电流的一第一方向电流；
在该第二闸流体开关元件导通时，经由该第二闸流体开关元件产生该交流电流的一第二方向电流；
在该第一闸流体开关元件需截止时，利用该第一开关进行导通该第一电容器，以便由该交流电流的第一方向电流对该第一电容器进行充电，因而该第一闸流体开关元件的电流可快速下降至趋近于零，如此该第一闸流体开关元件可快速截止；
在该第二闸流体开关元件需截止时，利用该第二开关进行导通该第二电容器，以便由该交流电流的第二方向电流对该第二电容器进行充电，因而该第二闸流体开关元件的电流可快速下降至趋近于零，如此该第二闸流体开关元件可快速截止。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关具有一第一交流电路端及一第二交流电路端，且该闸流体交流开关连接于第一交流电路及第二交流电路之间。
本发明较佳实施例选择该第一电容器的两端并联连接一第一放电电路，且该第一放电电路包含一第一电阻及一第一放电开关的串联，及选择该第二电容器的两端并联连接一第二放电电路，且该第二放电电路包含一第二电阻及一第二放电开关的串联。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关另包含一第一机械式开关，且该第一机械式开关并联连接于该闸流体交流开关，以形成一混合式开关。
本发明较佳实施例的该闸流体交流开关另包含一第二机械式开关，且该第二机械式开关串联连接至该闸流体交流开关，以形成一隔离型开关。
本发明的优点在于：
利用本发明，闸流体交流开关的电流可快速下降至趋近于零，以达成确实快速截止闸流体交流开关的功效。
附图说明
图1是本发明第一较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图。
图2是本发明第二较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图。
图3是本发明第三较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图。
具体实施方式
为了充分了解本发明，于下文将举例较佳实施例并配合附图作详细说明，但其并非用以限定本发明。
本发明较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法适用于各种交流开关装置，例如：闸流体交流开关、隔离式闸流体交流开关、混合式闸流体交流开关或其它交流开关，但其并非用以限制本发明的范围。另外，本发明较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置及其操作方法适合应用于各种交流电源或各种交流电源配电系统，例如：市电，但其并非用以限制本发明的应用范围。
图1揭示本发明第一较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图，其仅以适当缩小比例符号及形状表示其装置的技术特征，但其并非用以限定本发明的规格尺寸范围。请参照图1所示，本发明第一较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置包含一闸流体交流开关10、一第一开关20a、一第二开关20b、一第一电容器21a及一第二电容器21b。闸流体交流开关10包含一第一闸流体开关元件SCR4及一第二闸流体开关元件SCR3，且第一闸流体开关元件SCR4及第二闸流体开关元件SCR3反向并联。闸流体交流开关的快速截止装置连接于一第一交流电路1〔例如：交流电源〕及一第二交流电路2〔例如：负载〕之间。
请再参照图1所示，举例而言，闸流体交流开关10具有一第一交流电路端及一第二交流电路端。闸流体交流开关10连接至第一交流电路1，以便在闸流体交流开关10的第一闸流体开关元件SCR4及第二闸流体开关元件SCR3导通时，第一交流电路1经由闸流体交流开关10进行供应一交流电流至第二交流电路2。流经闸流体交流开关10为一交流电流，且该交流电流为双向性。第一闸流体开关元件SCR4导通一第一方向〔自闸流体交流开关10的第一交流电路端至第二交流电路端的方向〕的电流；反之，第二闸流体开关元件SCR3导通一第二方向〔自闸流体交流开关10的第二交流电路端至第一交流电路端的方向〕的电流。
请再参照图1的左侧部分所示，举例而言，第一开关20a选自一闸流体开关或一固态开关。将第一开关20a及第一电容器21a串联后，将第一开关20a及第一电容器21a的串联电路再并联连接于第一交流电路1及闸流体交流开关10之间。第一开关20a串接于第一电容器21a，以便第一开关20a控制第一电容器21a。
请再参照图1右侧部分所示，相对的，举例而言，第二开关20b选自一闸流体开关或一固态开关。将第二开关20b及第二电容器21b串联后，将第二开关20b及第二电容器21b的串联电路再并联连接于闸流体交流开关10及第二交流电路2之间。第二开关20b串接于第二电容器21b，以便第二开关20b控制第二电容器21b。
请再参照图1所示，在闸流体交流开关10的第一闸流体开关元件SCR4需截止时，利用第一开关20a进行导通第一电容器21a。在导通第一开关20a时，第一电容器21a的初始电压为0伏特。此时，导引交流电流的第一方向电流对第一电容器21a进行充电，使流经第一闸流体开关元件SCR4的电流瞬间下降并趋近于0安培，以快速截止第一闸流体开关元件SCR4，如此在交流电流的第一方向上可快速截止闸流体交流开关10。
请再参照图1所示，相对的，在闸流体交流开关10的第二闸流体开关元件SCR3需截止时，利用第二开关20b进行导通第二电容器21b。在导通第二开关20b时，第二电容器21b的初始电压为0伏特。此时，导引交流电流的第二方向电流对第二电容器21b进行充电，使流经第二闸流体开关元件SCR3的电流瞬间下降趋近于0安培，以快速截止第二闸流体开关元件SCR3，如此在交流电流的第二方向上可快速截止该闸流体交流开关10。
图2揭示本发明第二较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图，其对应于图1的闸流体交流开关的快速截止装置及其相关操作。请参照图2所示，相对于第一实施例，本发明第二较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置包含一闸流体交流开关10、一第一开关20a、一第二开关20b、一第一电容器21a、一第二电容器21b、一第一电阻31a、一第二电阻31b、一第一放电开关32a、一第二放电开关32b、一第一旁路开关50a及一第二旁路开关50b。闸流体交流开关10包含一第一闸流体开关元件SCR4及一第二闸流体开关元件SCR3，且第一闸流体开关元件SCR4及第二闸流体开关元件SCR3反向并联。闸流体交流开关的快速截止装置连接于一第一交流电路1及一第二交流电路2之间。
请再参照图2所示，举例而言，闸流体交流开关10具有一第一交流电路端及一第二交流电路端。闸流体交流开关10连接至第一交流电路1，以便在闸流体交流开关10的第一闸流体开关元件SCR4及第二闸流体开关元件SCR3导通时，第一交流电路1经由闸流体交流开关10进行供应一交流电流至第二交流电路2。流经闸流体交流开关10为一交流电流，且该交流电流为双向性。第一闸流体开关元件SCR4导通一第一方向〔自闸流体交流开关10的第一交流电路端至第二交流电路端的方向〕的电流；反之，第二闸流体开关元件SCR3导通一第二方向〔自该闸流体交流开关10的第二交流电路端至第一交流电路端的方向〕的电流。
请再参照图2左侧部分所示，举例而言，第一开关20a选自一闸流体开关或一固态开关。第一开关20a及第一电容器21a串联后并联连接于第一交流电路1及闸流体交流开关10之间，而第一开关20a串接于第一电容器21a，以便第一开关20a控制第一电容器21a。第一电阻31a及第一放电开关32a形成串联或其它连接方式。第一电容器21a的两端并联第一电阻31a及第一放电开关32a的串联电路。
请再参照图2右侧部分所示，相对的，举例而言，第二开关20b选自一闸流体开关或一固态开关。第二开关20b及第二电容器21b串联后并联连接于闸流体交流开关10及第二交流电路2之间，而第二开关20b串接于第二电容器21b，以便第二开关20b控制第二电容器21b。第二电阻31b及第二放电开关32b形成串联或其它连接方式。第二电容器21b的两端并联第二电阻31b及第二放电开关32b的串联电路。
请再参照图2所示，在闸流体交流开关10的第一闸流体开关元件SCR4需截止时，利用第一开关20a进行导通第一电容器21a。在导通第一开关20a时，第一电容器21a的初始电压为0伏特。此时，导引流经第一闸流体开关元件SCR4的电流改对第一电容器21a进行充电，使流经第一闸流体开关元件SCR4的电流瞬间下降至趋近于0安培，以快速截止第一闸流体开关元件SCR4，如此闸流体交流开关10快速截止。
请再参照图2所示，在闸流体交流开关10截止后，将第一开关20a断开。此时，第一电容器21a两端存在一电压，将第一放电开关32a导通，如此第一电容器21a经第一电阻31a进行放电，直至在第一电容器21a的电能完全释放后，将第一放电开关32a截止，以便闸流体交流开关10在下次进行截止操作时，第一电容器21a的电压可维持为0伏特。由于在第二交流电路2上存在杂散电感，当闸流体交流开关10快速截止时，在闸流体交流开关10上产生感应高电压。由于高电压可能破坏闸流体交流开关10，因此在第二开关20b并联第一旁路开关50a。第一旁路开关50a为一闸流体开关或一固态开关，且第一旁路开关50a反向并联至第二开关20b。当第一开关20a动作截止闸流体交流开关10时，第一旁路开关50a同时动作。当闸流体交流开关10的第一闸流体开关元件SCR4瞬间截止时，第二交流电路2上存在杂散电感的电流可流经由该第一旁路开关50a，再经由第二电容器21b形成一回路，如此可加速第一闸流体开关元件SCR4截止动作，并防止闸流体交流开关10两端因开关截止感应高压而造成损坏。
请再参照图2所示，相对的，在闸流体交流开关10的第二闸流体开关元件SCR3需截止时，利用第二开关20b进行导通第二电容器21b。在导通第二开关20b时，第二电容器21b的初始电压为0伏特。此时，导引流经第二闸流体开关元件SCR3的电流改对第二电容器21b进行充电，使流经第二闸流体开关元件SCR3的电流瞬间下降趋近于0安培，以快速截止第二闸流体开关元件SCR3，如此闸流体交流开关10快速截止。
请再参照图2所示，在第二电容器21b两端并联第二电阻31b及第二放电开关32b的串联电路。在闸流体交流开关10截止后，将第二开关20b断开。此时，第二电容器21b两端存在一电压，将第二放电开关32b导通，第二电容器21b经第二电阻31b进行放电，直至在第二电容器21b的电能完全释放后，将第二放电开关32b截止，以便提供闸流体交流开关10在下次进行截止操作时，第二电容器21b的电压可维持为0伏特。
请再参照图2所示，由于在第一交流电路1上存在杂散电感，当闸流体交流开关10快速截止时，在闸流体交流开关10上会感应高电压。由于高电压可能破坏闸流体交流开关10，因此在第一开关20a并联第二旁路开关50b。第二旁路开关50b为一闸流体开关或一固态开关，且第二旁路开关50b反向并联至第一开关20a。当第二开关20b动作截止闸流体交流开关10时，第二旁路开关50b同时动作。当闸流体交流开关10的第二闸流体开关元件SCR3瞬间截止时，第一交流电路1上存在杂散电感的电流可流经第二旁路开关50b，再经由第一电容器21a形成一回路，如此可加速第二闸流体开关元件SCR3截止动作，并防止闸流体交流开关10的两端因开关截止感应高压而造成损坏。
图3揭示本发明第三较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置的架构示意图，其对应于图2的闸流体交流开关的快速截止装置及其相关操作。请参照图3所示，相对于第二实施例，本发明第三较佳实施例的闸流体交流开关的快速截止装置包含一闸流体交流开关10’、一第一开关20a、一第二开关20b、一第一电容器21a、一第二电容器21b、一第一电阻31a、一第二电阻31b、一第一放电开关32a、一第二放电开关32b、一第一旁路开关50a、一第二旁路开关50b、一第一机械式开关61及一第二机械式开关62。第一机械式开关61与闸流体交流开关10’并联可组成一混合式开关〔hybrid switch〕，而第二机械式开关62与闸流体交流开关10’串联可组成一隔离型开关。
前述较佳实施例仅举例说明本发明及其技术特征，该实施例的技术仍可适当进行各种实质等效修饰及/或替换方式予以实施；因此，本发明的权利范围须视权利要求范围所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，包含：
一闸流体交流开关，其连接于一第一交流电路及一第二交流电路之间，以便在该闸流体交流开关导通时，经由该闸流体交流开关进行供应一交流电流；
一第一开关；
一第一电容器，其串联于该第一开关，将该第一开关及第一电容器的一串联电路并联连接于该第一交流电路；
一第二开关；及
一第二电容器，其串联于该第二开关，将该第二开关及第二电容器的一串联电路并联连接于该第二交流电路；
其中在该闸流体交流开关需截止时，依该交流电流的一第一方向利用该第一开关进行导通该第一电容器，以便由该交流电流对该第一电容器进行充电，如此该闸流体交流开关的电流截止；
或，在该闸流体交流开关需截止时，依该交流电流的一第二方向利用该第二开关进行导通该第二电容器，以便由该交流电流对该第二电容器进行充电，如此该闸流体交流开关的电流截止。
2.依权利要求1所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，选择所述第一电容器的两端并联一第一放电电路，且该第一放电电路包含一第一电阻及一第一放电开关的串联，及选择所述第二电容器的两端并联一第二放电电路，且该第二放电电路包含一第二电阻及一第二放电开关的串联。
3.依权利要求1所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，选择另包含一旁路开关反向并联至所述第一开关，且该旁路开关为一闸流体开关或一固态开关，及选择另包含一旁路开关反向并联至所述第二开关，且该旁路开关为一闸流体开关或一固态开关。
4.依权利要求1所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，还包含至少一机械式开关连接于所述闸流体交流开关。
5.依权利要求1所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，还包含一第一机械式开关及一第二机械式开关连接于所述闸流体交流开关。
6.依权利要求5所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，所述第一机械式开关并联于所述闸流体交流开关，以组成一混合式开关。
7.依权利要求5所述的闸流体交流开关的快速截止装置，其特征在于，所述第二机械式开关串联于所述闸流体交流开关，以组成一隔离型开关。
8.一种闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，包含：
将一第一闸流体开关元件及一第二闸流体开关元件连接于一第一交流电路及一第二交流电路之间，且该第一闸流体开关元件及一第二闸流体开关元件反向并联连接形成一闸流体交流开关；
将一第一开关及一第一电容器串联后，将该第一开关及第一电容器的一串联电路并联连接于该第一交流电路及闸流体交流开关之间；
将一第二开关及一第二电容器串联后，将该第二开关及第二电容器的一串联电路并联连接于该闸流体交流开关及第二交流电路之间；
在该第一闸流体开关元件导通时，经由该第一闸流体开关元件进行供应一交流电流的一第一方向电流；
在该第二闸流体开关元件导通时，经由该第二闸流体开关元件产生该交流电流的一第二方向电流；
在该第一闸流体开关元件需截止时，利用该第一开关进行导通该第一电容器，以便导引该交流电流的第一方向电流进行充电该第一电容器，如此可截止该第一闸流体开关元件的电流；
在该第二闸流体开关元件需截止时，利用该第二开关进行导通该第二电容器，以便导引该交流电流的第二方向电流进行充电该第二电容器，如此可截止该第二闸流体开关元件的电流。
9.依权利要求8所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，选择所述第一电容器的两端并联一第一放电电路，且该第一放电电路包含一第一电阻及一第一放电开关的串联，及选择所述第二电容器的两端连接或并联一第二放电电路，且该第二放电电路包含一第二电阻及一第二放电开关的串联。
10.依权利要求8所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，选择另包含一第二旁路开关，而所述第二旁路开关为一闸流体开关或一固态开关，且所述第二旁路开关反向并联至所述第一开关，及选择另包含一第一旁路开关，而所述第一旁路开关为一闸流体开关或一固态开关，且所述第一旁路开关反向并联至所述第二开关。
11.依权利要求8所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，所述闸流体交流开关还包含至少一机械式开关，且该机械式开关连接于所述闸流体交流开关。
12.依权利要求8所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，所述闸流体交流开关还包含一第一机械式开关及一第二机械式开关，且该第一机械式开关及该第二机械式开关连接于所述闸流体交流开关。
13.依权利要求12所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，所述第一机械式开关并联于所述闸流体交流开关，以组成一混合式开关。
14.依权利要求12所述的闸流体交流开关的快速截止装置的操作方法，其特征在于，所述第二机械式开关串联于所述闸流体交流开关，以组成一隔离型开关。
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