CN107819460A - 一种基于耦合负压电路的混合式开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于耦合负压电路的混合式开关电路、开关装置及其电源切换保护系统，其中所述混合式开关电路包括，机械开关支路、换流支路、辅固态开关支路和能量吸收支路，所述换流支路包括主固态开关支路和与所述主固态开关支路串联的耦合负压电路，所述辅固态开关支路中的固态开关包括反向并联的电力电子开关；主固态开关支路中的固态开关包括正向电路和反向电路，所述正向电路和所述反向电路共用一个可控开关电路及反并联二极管。本发明的基于耦合负压电路的混合式开关电路、开关装置及其电源切换保护系统，具有控制方便、能够快速切换的特点，而且性能可靠。

Description

一种基于耦合负压电路的混合式开关

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于耦合负压电路的混合式开关电路、切换开关装置。

背景技术

当前一般都利用机械式开关装置来控制电力的通断。随着开关装置广泛应用在各行各业中，现在对开关的要求也越来越高。

而二极管是一种普通的电子元件，也应用到了开关中。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向流过，也就是从阳极(也称正极)流向阴极(也称负极)，而在反向时对电流形成阻断。由于二极管的这种特性，其在电子电路中得到了广泛应用。现在二极管应用到多种电路中，例如限幅电路、开关电路中。现有二极管开关电路如图1所示。但是，这种二极管开关电路一般适合于直流电路中，而且无法实现可控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可靠而且稳定性高的基于耦合负压电路的混合式开关电路、切换开关、电源切换保护系统及其控制方法。

本发明提供了一种基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

所述混合式开关电路包括，机械开关支路、换流支路、辅固态开关支路和能量吸收支路，所述换流支路包括主固态开关支路和与所述主固态开关支路串联的耦合负压电路，其中，

所述辅固态开关支路中的固态开关包括反向并联的电力电子开关；

主固态开关支路中的固态开关包括正向电路和反向电路，所述正向电路和所述反向电路共用一个可控开关电路及反并联二极管。

进一步地，所述机械开关支路、所述换流支路、所述辅固态开关支路和所述能量吸收支路并联连接。

进一步地，所述可控开关电路包括电力电子开关，其中所述电力电子开关包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT或GTO。

进一步地，所述正向电路包括第一二极管、第三二极管，所述第一二极管的阴极与所述可控开关电路的第一端连接，所述第三二极管的阳极与所述可控开关电路的第二端连接；

所述反向电路包括第二二极管、第四二极管，所述第二二极管的阴极与所述可控开关电路的第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述可控开关电路的第二端连接。

进一步地，所述耦合负压电路包括耦合线圈、晶闸管和放电电容。

进一步地，所述耦合负压电路的耦合线圈第一绕组位于所述主固态开关支路；所述耦合线圈的第二绕组位于所述放电电容电路，并且所述晶闸管、放电电容与所述第二绕组形成回路。

进一步地，所述放电电容通过直流电源电路供电。

进一步地，所述机械开关支路包括机械开关；和/或

所述主固态开关支路中具有一个固态开关或多个串联的固态开关；和/或

所述辅固态开关支路中具有一个固态开关或多个串联的固态开关；和/或

所述能量吸收支路包括避雷器。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于如上任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

控制主固态开关支路导通，控制机械支路断开；

控制负压电路导通；

控制主固态开关支路断开。

进一步地，在所述机械开关支路中的机械开关的触头达到有效开距后，控制负压电路导通。

进一步地，通过控制所述负压电路中的晶闸管导通来导通负压电路。

进一步地，在所述机械开关支路中的机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压时，控制所述主固态开关电路断开。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于如上任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

控制所述辅固态开关支路导通；

控制所述机械开关支路导通，控制所述辅固态开关支路断开。

本发明还提供了一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如上任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如上任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

本发明还提供了一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源保护切换系统包括：

工作电源和备用电源；

如上所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，根据上述任一所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件分闸，和/或根据如上所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件合闸。

进一步地，所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

进一步地，所述监测系统还检测所述自动切换开关的合闸和分闸状态，并将所述状态的信息反馈给所述控制保护系统。

本发明的基于耦合负压电路的混合式开关电路、开关装置、电源切换保护系统，具有控制方便、能够快速切换的特点，而且结构简洁、性能可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中二极管开关电路结构示意图；

图2示出了本发明实施例的基于耦合负压电路的混合式开关电路结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于耦合负压电路的混合式自动切换开关装置结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的切换开关采用了基于耦合负压电路的混合式开关电路。本发明实施例以切换开关电路为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，切换开关、断路器等所有能够实现电路通断的开关电路、元件、部件、设备、系统等均可实现本发明，这些都属于本发明的保护范围内。

如图2所示，所述开关电路包括机械开关支路、换流支路、辅固态开关支路和能量吸收支路。其中，所述开关支路包括机械开关；辅固态开关支路包括一个或多个串联的作为辅固态开关的固态开关，该固态开关为两个晶闸管反向并联而形成的固态开关；所述换流支路包括主固态开关支路和与所述主固态开关支路串联的耦合负压电路。图2中主固态开关、辅固态开关所在的支路以断线表示可以一个固态开关或存在多个串联的固态开关，但并不表示固态开关所在的支路是电气断开的。

所述主固态开关支路中作为主固态开关的固态开关包括多个二极管D1、D2、D3、D4、D5和电力电子开关。二极管D1的阴极与电子电力开关的第一端、二极管D2的阴极、二极管D5的阴极连接；二极管D4的阳极电子电力开关的第二端、二极管D3的阳极、二极管D5的阳极连接；二极管D1的阳极与二极管D4的阴极连接，二极管D2的阳极与二极管D3的阴极连接。可控开关电路还具有与其反并联的二极管D5，为可控提供反向通流能力。

在所述电力电子开关接通的情况下，二极管D1、电力电子开关、二极管D3形成一条通路，正向电流从二极管D1的阳极进入该通路中，并从二极管D3的阴极流出；二极管D2、电力电子开关、二极管D4形成一条通路，反向电流从二极管D2的阳极进入该通路中，并从二极管D4的阴极流出。

在所述电力电子开关断开的情况下，由于二极管的只允许电流单一方向流过的特性，电流无法通过所述基于二极管混联桥的固态开关电路。因此，在断开所述电力电子开关的情况下，就切断了电流。

所述电力电子开关可以选用晶闸管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或GTO(Gate-Turn-Off Thyristor，门极可关断晶闸管)等的任意一种。可以通过控制上述电力电子开关的通断实现基于二极管混联桥的固态开关电路的通断。

所述主固态开关支路的一端与耦合线圈Ls的一个绕组连接，所述互感器Ls的另一个绕组在所述放电电容电路中，从而互感器Ls的两个绕组使得换流支路与耦合负压电路耦合；所述耦合负压电路包括晶闸管S、放电电容Cs和耦合线圈Ls，所述晶闸管S、放电电容Cs与所述耦合线圈Ls的第二绕组形成回路。同时，为了向所述放电电容Cs充电，还为所述电容Cs设置直流电源电路。所述直流电源电路包括电阻Rs、电键K、直流电源DC，其中所述电阻的一端与所述电容Cs的一端连接，所述电阻的另一端与所述电键K连接，所述电键K与所述直流电源的一端连接，所述直流电源的另一端与所述电容Cs的另一端连接。所述能量吸收支路主要包括避雷器，实施例中采用了MOV(金属氧化物压敏电阻)氧化锌避雷器，避雷吸收系统吸收在所述机械开关的开合过程中所产生的剩余能量，进而实现对机械开关的过电压保护。本发明以MOV氧化锌避雷器作为示例性的避雷吸收系统，但并不仅限于以MOV氧化锌避雷器作为避雷吸收系统，所有能够吸收支路中剩余能量的能量吸收电路或系统均可用于本发明。所述主固态开关支路、所述辅固态开关支路、所述机械开关支路和所述能量吸收支路并联连接。

所述开关电路在正常运行以建立电源与负荷之间的连接时，所述机械开关支路中的所述机械开关闭合，所述主固态开关支路中的所述主固态开关断开、所述辅固态开关支路中的所述辅固态开关断开，此状态下电流流经所述机械开关。

实施例所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路的分闸控制过程如下：控制所述主固态开关支路中的所述主固态开关导通，例如通过控制主固态开关中的可控晶闸管导通而实现主固态开关的导通，并向所述机械开关支路中所述机械开关发送分闸命令指示所述机械开关分闸。在所述机械开关的触头开距达到2-3毫米(mm)时，认为所述机械开关已达到有效开距，此时控制所述负压电路中的所述晶闸管S导通。此时，所述电容Cs与所述互感器的绕组形成振荡，并通过所述绕组在所述换流支路形成一个负压，使换流支路整体导通压降低于所述机械开关弧压，从而强制电流由所述机械开关支路转移至所述换流支路，此时所述机械开关支路电流过零熄弧，完成电流转移。在所述机械开关分闸运动到其触头间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制所述主固态开关断开，此时线路产生的能量由所述能量吸收支路中的MOV氧化锌避雷器吸收，主切换开关电流下降至零，分闸过程完成。

实施例所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路的合闸控制过程如下：

向辅固态开关支路的辅固态开关发出合闸命令，命令所述辅固态开关导通，此时电流流经所述辅固态开关支路。然后控制机械开关支路中的机械开关闭合，此时电流也会流经所述机械开关，然后断开上述辅固态开关支路中的辅固态开关，此时电流只通过所述机械开关。

实施例还提供了一种开关部件，其采用了上述基于耦合负压电路的混合式开关电路。该开关部件用于三相交流电系统中，每一相的电路分别采用上述基于耦合负压电路的混合式开关电路。如图3所示，所述开关部件分别在A相、B相、C相中采用了上述基于耦合负压电路的混合式开关电路：主切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与备切换开关的三相线区分，A1、B1、C1来表示A相、B相、C相线)均采用了上述基于耦合负压电路的混合式开关电路；备切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与主切换开关的三相线区分，A2、B2、C2来表示A相、B相、C相线)同样均采用了上述基于耦合负压电路的混合式开关电路。

如图3所示，实施例还提供了一种自动切换开关装置，所述自动切换开关装置包括两个上述开关部件，其中一个为主切换开关部件、另一个为备切换开关部件。正常工作过程中，所述主切换开关部件导通，实现电源通过所述主切换开关部件向所述负荷提供电流；所述备切换开关部件断开。出现故障需要将供电从主切换开关部件切换到备切换开关部件时，通过上述分闸控制过程断开所述主切换开关部件，并通过上述合闸控制过程接通所述备切换开关部件。

本实施例以双电源冗余供电系统来说明上述基于耦合负压电路的混合式自动切换开关装置的控制使用。但是应该明确的是，上述实施例的基于耦合负压电路的混合式自动切换开关装置并不仅限于双电源冗余供电系统，多电源冗余供电系统以及一般的诸如单电源供电系统、可以使用开关的电力系统等均可以使用上述实施例所述的基于耦合负压电路的混合式自动切换开关装置。

如图4所示的根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。所述双电源供电系统包括电源、控制保护系统、自动切换开关装置、负荷以及由传感器等监测部件组成的监测系统，其中电源包括工作电源和备用电源两套电源，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接。所述双电源冗余供电系统中工作电源支路上的主切换开关部件和/或备用电源支路上的备切换开关部件均可以使用上述实施例所述的基于固态开关的LC振荡强迫换流型复合式自动切换开关部件。本实施例以工作电源支路上的切换开关和备用电源支路上的切换开关均使用上述基于耦合负压电路的混合式自动切换开关部件为例进行示例性说明。

双电源冗余供电系统在正常供电状态下，所述自动切换开关装置中工作电源支路的主切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于闭合状态，工作电源的电力通过所述切换开关装置提供给所述负荷；而所述自动切换开关装置中备用电源支路的备切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于断开状态，所述备用电源不向所述负荷提供电力。

所述监测系统持续或周期性监测整个供电系统的工作状态，例如系统中的异常情况：工作电源支路中的传感器监测工作电源的工作状态、备用电源支路中的传感器监测备用电源的工作状态、负荷支路中的传感器监测负荷的工作状态。

所述监测系统检测到工作电源故障或压降过大时，向控制保护系统发送相应的故障信号。控制保护系统在接收到监测系统发来的表示工作电源发生故障的信号后，判断工作电源出现故障，需要将电源从工作电源切换到备用电源上。此时，控制保护系统中的控制单元向工作电源的切换开关部件发送分闸命令、并向备用电源的切换开关部件发送合闸命令，从而控制工作电源的切换开关部件断开连接，而控制备用电源的切换开关部件闭合以建立备用电源与负荷之间的电气连接，从而通过备用电源箱负荷提供电力。

正常运行时，主切换开关部件中A相、B相和C相线上的所有机械开关均处于闭合状态，各个相线上的电流流经各自的机械开关向负荷提供电力。在传感器监测到工作电源发生故障时，向控制保护系统发送报警信息。接收到所述报警信息后，控制保护系统中的控制单元向所述自动切换开关装置中的主切换开关部件的机械开关发出分闸命令，在所述机械开关触头开距达到2～3mm时，控制合负压电路中晶闸管S导通，电容Cs与互感器Ls振荡，通过所述互感器Ls在换流支路耦合一个负压，使换流支路整体导通压降低于机械开关弧压，从而强制电流由机械开关支路转移至换流支路，机械开关支路电流过零熄弧，完成电流转移。在所述机械开关分闸运动到触头间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时，主固态开关关断，此时线路能量由MOV吸收，主切换开关电流下降至零；同时给备切换开关的辅固态开关发出合闸命令，负荷由备切换开关供电，然后闭合备切换开关的机械开关，并断开备切换开关的辅固态开关。备切换开关部件的合闸过程完成，从而实现对备用电源支路中的切换开关装置的合闸，使得备用工作电源对所述负荷供电。

所述双电源冗余供电系统中从备用电源向负荷提供电力切换到从工作电源向所述负荷提供电力的过程与从工作电源向负荷提供电力切换到从备用电源向所述负荷提供电力的过程相似，在此不再赘述。

负荷支路中的传感器在监测到所述负荷出现故障后，会将监测到的故障信息发送给控制保护系统。所述控制保护系统可以根据所述故障信息关闭工作电源支路和备用电源支路中的切换开关部件，以断开任何电源向所述负荷供电。

所述监测系统同时检测切换开断状态，并将状态信息反馈回所述控制保护系统，以确保开断和导通。

控制保护系统还根据接收的信息实现对其他联络开关的控制或接收其他联络开关的状态信息，并将接收的所有信息发送给远程计算机，同时可以从远程计算机中接收信息，例如控制相关切换开关进行开启或闭合的信息。

实施例中以三相交流电为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法并不仅限于说明书中基于示例性说明目的的三相交流电，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法适用于包括但不限于直流电和交流电的系统中。

需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。前后两个步骤之间并不必然意味着一定是一种先后执行的顺序，只要能够解决本发明的技术问题即可，而且前后两个步骤之间并不必然意味着一定排除了发明中未列出的其他步骤，而且说明书中主器件、辅器件并不必然表示主要和辅助、第一器件和第二器件并不必然表示前后顺序，其仅仅用于区别；同理，系统的各个元件、部件之间并不必然意味是一种直接的电气连接，说明书表示的仅仅是逻辑关系。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

所述混合式开关电路包括，机械开关支路、换流支路、辅固态开关支路和能量吸收支路，所述换流支路包括主固态开关支路和与所述主固态开关支路串联的耦合负压电路，其中，

所述辅固态开关支路中的固态开关包括反向并联的电力电子开关；

主固态开关支路中的固态开关包括正向电路和反向电路，所述正向电路和所述反向电路共用一个可控开关电路及反并联二极管。

2.根据权利要求1所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述机械开关支路、所述换流支路、所述辅固态开关支路和所述能量吸收支路并联连接。

3.根据权利要求2所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述可控开关电路包括电力电子开关，其中所述电力电子开关包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT或GTO。

4.根据权利要求1所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述正向电路包括第一二极管、第三二极管，所述第一二极管的阴极与所述可控开关电路的第一端连接，所述第三二极管的阳极与所述可控开关电路的第二端连接；

所述反向电路包括第二二极管、第四二极管，所述第二二极管的阴极与所述可控开关电路的第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述可控开关电路的第二端连接。

5.根据权利要求1所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述耦合负压电路包括耦合线圈、晶闸管和放电电容。

6.根据权利要求5所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述耦合负压电路的耦合线圈第一绕组位于所述主固态开关支路；所述耦合线圈的第二绕组位于所述放电电容电路，并且所述晶闸管、放电电容与所述第二绕组形成回路。

7.根据权利要求5或6所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述放电电容通过直流电源电路供电。

8.根据权利要求1-6任一所述的混合式开关电路，其特征在于，

所述机械开关支路包括机械开关；和/或

所述主固态开关支路中具有一个固态开关或多个串联的固态开关；和/或

所述辅固态开关支路中具有一个固态开关或多个串联的固态开关；和/或

所述能量吸收支路包括避雷器。

9.一种开关电路控制方法，应用于权利要求1-8任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

控制主固态开关支路导通，控制机械支路断开；

控制负压电路导通；

控制主固态开关支路断开。

10.根据权利要求9所述的开关电路控制方法，其特征在于，

在所述机械开关支路中的机械开关的触头达到有效开距后，控制负压电路导通。

11.根据权利要求9或10所述的开关电路控制方法，其特征在于，

通过控制所述负压电路中的晶闸管导通来导通负压电路。

12.根据权利要求10所述的开关电路控制方法，其特征在于，

在所述机械开关支路中的机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压时，控制所述主固态开关电路断开。

13.一种开关电路控制方法，应用于权利要求1-8任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，其特征在于，

控制所述辅固态开关支路导通；

控制所述机械开关支路导通，控制所述辅固态开关支路断开。

14.一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如权利要求1-8任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如权利要求1-8任一所述的基于耦合负压电路的混合式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

15.一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源保护切换系统包括：

工作电源和备用电源；

如权利要求14所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，根据权利要求9-12任一所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件分闸，和/或根据权利要求14所述的开关电路控制方法控制所述自动切换开关装置中主切换开关部件和/或备切换开关部件合闸。

16.根据权利要求15所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

17.根据权利要求15或16所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还检测所述自动切换开关的合闸和分闸状态，并将所述状态的信息反馈给所述控制保护系统。