CN108701556A - 直流电压开关 - Google Patents

Abstract

给出一种直流电压开关，具有两个连接端子，具有机械开关的运行电流路径在两个连接端子之间延伸；以及具有用于产生相对于运行路径中的电压的反向电压的部件，其中，部件包括其初级侧在运行电流路径中与机械开关串联连接的变压器；与变压器的次级侧连接的电压源和与电压源串联连接的开关。

Description

直流电压开关

技术领域

本发明涉及一种直流电压开关，具有两个连接端子，具有机械开关的运行电流路径在两个连接端子之间延伸；和用于产生相对于运行路径中的电压的反向电压的部件。

背景技术

断开直流电流(DC电流)由于缺少过零点比断开交流电流(AC电流)更难。在AC电流中在合适的设计中，在接触断开时形成的电弧在下一个电流过零点熄灭，而在DC电流中，电弧在更大的间隔中继续燃烧，直到开关损坏。

导致可靠地断开DC电流的不同的方案是已知的。这种方案基于如下：产生补偿负载电流的反向电流，从而机械开关中的电流经历过零点。由此开关可以被无电流地断开，从而不形成或熄灭电弧。在另外的方案中，电流首先换向至半导体开关中，电流可以由半导体开关无电弧地断开。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是，给出一种直流电压开关，其具有改进的开关速度。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的直流电压开关来解决。根据本发明的直流电压开关具有两个连接端子，具有机械开关的运行电流路径在两个连接端子之间延伸。此外，直流电压开关包括用于产生相对于运行路径中的电压的反向电压的部件。该部件包括变压器，其初级侧在运行电流路径中与机械开关串联连接；与变压器的次级侧连接的电压源；与电压源串联连接的开关。

有利地，在根据本发明的直流电压开关中通过立即作用的反向电压，在短路情况下快速限制负载电流，而在特定的已知方案中负载电流进一步升高，直到电弧熄灭。此外，通过对变压器进行电气分离，可以在次级侧自由选择电势，并且根据变压比也选择驱动电压。此外合适地，在运行电流路径中没有半导体开关，由此，电损耗保持最小。

根据本发明的直流电压开关的有利构造从权利要求1的从属权利要求给出。在此，根据权利要求1的实施方式可以与一个从属权利要求的特征组合，或者优选地也与来自多个从属权利要求的特征组合。相应地，针对直流电压开关还可以附加地设置以下特征：

-电压源可以包括能量存储装置，尤其是电容器。电容器主要适用于快速输出所需的能量，以便补偿短路电流或也补偿直流电压网中的正常的运行电流，并且因此强制产生电流的过零点。

-电压源可以设置为单独的装置，例如单独的电容器，其独立于直流电压网的另外的组件地连接至变压器。由此，可以独立于其他的情况地确保电压源的准备，例如通过针对电压源的自身的充电电路来确保。

-电压源可以设计为另外的电路的部分，例如设计为转换器的中间电路电容器，其例如通过其他方式与直流电压网相关联。由此重新使用构造的现有资源，并且因此总体上实现节约组件。

-合适地，机械开关具有小于5ms的开关时间。因为电流过零点基于能量存储器的放电，所以在其内发生电流过零的时间段通常被限制为几毫秒。在该短的时间内，机械开关必须能够断开，以导致对电弧的可靠抑制或消除。

-装置可以设计为，使得变压器的次级侧的绕组是可短路的。为此例如可以设置在变压器的次级侧的绕组的绕组端部之间的、具有半导体开关或快速机械开关的连接。通过使变压器的次级侧的绕组短路，变压器的初级侧的绕组的电感下降到非常低的值，并且因此有利地减小了变压器的初级侧的绕组对直流电压网的特性的影响。

-装置可以设计为，使得电压源可以以两个极性与变压器的次级侧的绕组连接。例如，电压源可以为此经由由半导体开关组成的桥电路与变压器的次级侧的绕组连接。桥允许电压源在两个方向上接通。由此有利地实现，在运行电流路径中可以产生任意极性的反向电压，并且因此断开任意流动方向(即双向)的直流电流是可能的。

-装置可以具有用于消除电感地存储在直流电压网中的能量的部件。为此，变阻器例如可以与机械开关并联连接。替换地或附加地，直流电压网的极之间的连接可以经由二极管和变阻器连接在机械开关的一侧或两侧，以提供对于电感地存储的能量的续流路径。

-装置可以包括用于吸收来自于运行电流路径的能量的部件。因此，在断开时例如可以吸收来自于直流电压网的电感地存储的能量。该能量例如可以在电压源中被临时存储，并且随后又被输出。

附图说明

现在借助附图详细阐述针对本发明的优选的但绝不受限的实施例。在此，特征被示意性地示出，并且附图中：

图1在由直流电压网形成的片段中示出了根据本发明的具有脉冲电压模块的直流电压开关，

图2至图4示出了脉冲电压模块的实施方式。

具体实施方式

图1在由直流电压网10构成的片段中示出了根据本发明的直流电压开关12。直流电压网10由直流电压源11馈电，并且因此供应直流电压。直流电压网可以是在高压直流输电供电装置中的电网，或者例如是车辆，例如牵引机车或内燃机车中的电网，或者是在馈入针对电运行的车辆的电网中的范围内的电网。该原理本质上可以应用于从低压经由中压直到高压的所有电压电平。在负载18与直流电压源11之间布置直流电压开关12，负载非常简化地通过电阻象征性地示出。直流电压开关12在此利用两个连接端子121、122串联地接入直流电压网10的第一极111中。

在连接端子121、122之间，直流电压开关12具有由快速机械开关13和变压器14的初级侧的绕组构成的串联电路。与机械开关13并联地布置用于消除过电压的变阻器15。机械开关13设计为，使得其在几毫秒内，例如在3ms内实现断开电接触。

变阻器15在此是可选的，并且当在开关过程中要消除的电感存储的能量可以呈现高的值，从而断开会导致机械开关13上的破坏性地高的电压时，使用该变阻器。在替换的构造中，对于不期望这样高的能量的直流电压网10，变阻器15被取消。

作为用于消除过电压并且相应地避免直流电压开关12中的或者直流电压网10中其他装置上的损坏的另外的元件，直流电压开关12在面向直流电压源11的一侧包括具有二极管的第一续流路径19，其作为第一连接端子121或第二连接端子122与直流电压网10的第二极112之间的连接接入。此外，第二续流路径20设置为第一连接端子121或第二连接端子122与直流电压网10的第二极112之间的连接。续流路径又是可选的并且当在电网电感1111、1112、例如线缆中存储的能量在电流快速中断的情况下可能导致破坏时安装该续流路径。

变压器14的次级侧的绕组与脉冲电压模块16连接，针对不同的构造在图2至图4中示出。脉冲电压模块16和机械开关13和必要时直流电压开关12的另外的元件和必要时直流电压网10的另外的元件或其他的周围的电路通过控制装置17来控制。

通过选择变压器14中的变压比可以确定对于电容器161的需要的电压和因此脉冲电压模块中的组件的准确的设计。在此，组件可以例如针对快速断开或针对很小的结构大小来优化。针对变压器14的初级侧和次级侧之间的匝数比合适地使用1至10之间的值。

图2示出了脉冲电压模块16的结构的第一可能性。根据图2的脉冲电压模块16包括电容器161，其用作用于产生电压脉冲的能量存储器。电容器经由整流二极管1611与充电变压器1612的次级侧连接，充电变压器又在其初级侧与未示出的电压源连接。通过充电变压器1612执行电容器的充电。电容器的需要的电容量和需要的充电电压的高度由直流电压网10的电压和变压器14的变压比给出。在该示例中，针对直流电压网10中的700V的直流电压，变压器的耦合因子是95％，变压比是4，并且主电感是500μH。

电容器161与例如以IGBT或另外的半导体开关形式的开关162串联连接。在正常的运行情况下，开关162断开，并且因此电容器161与变压器14的次级侧的绕组之间的连接在一侧中断，从而电容器161不能够放电。电容器在正常的运行情况下持续充电。

与由电容器161和开关162构成的串联电路并联地布置短路开关163。短路开关163优选同样是IGBT。在低压应用时也可以使用MOSFET。在此合适地可以使用自导通的开关(selbstleitender Schalter)。双向的短路开关163在正常的运行情况下接通，并且使变压器14的次级侧的绕组短路。由此导致，变压器14的初级侧仅示出很小的电感，并且因此对直流电压网10的影响是很小的。

如果在直流电压网10中出现短路，或者由于另外的原因需要断开直流电流，则短路开关163断开，并且开关162接通。此外，控制装置17断开机械开关13，其中，断开过程与非常快速的半导体开关162、163不同地需要一定的开关时间。电容器161因此通过变压器14的现在直接连接的次级绕组在几毫秒内放电。由此，在连接端子121、122之间的运行电流路径中感应出电压，电压的方向通过电容器161的充电来预设。合适地，该方向与直流电压网10中的电压的方向相反。通过该电压和与之相关联的电流，总电流被过补偿，并且由此经历过零点。由此导致的(相对于正常的运行中的电流方向)负的、穿过机械开关13的电流限制为几毫秒的持续时间，并且因此另外的电流过零点经过了短的时间。在该时间内，机械开关13断开，并且可能形成的电弧通过电流过零点熄灭。

在另外的进程中又可以建立直流电压开关12的开关能力，其方法是，开关162断开，并且随后又给电容器161充电。

图3示出了脉冲电压模块16的另外的实施可能性。在此，脉冲电压模块16又包括电容器161，但该电容器在此与在图2的实施方式中不同地连接。在根据图3的脉冲电压模块16中，电容器161经由由IGBT构成的桥164与变压器14的次级绕组连接。桥164在此以常见的方式具有分别由两个IGBT构成的两个串联电路，两个串联电路相互并联连接，并且与电容器161并联连接。变压器14的次级绕组接入位于每个串联电路的两个IGBT之间的两个电势点之间。

为了充电，图3中的电容器161以一个接头经由大欧姆的充电电阻166和二极管与直流电压网的第一极111连接。另外的接头与直流电压网的第二极112连接。由此，在正常的运行情况下提供持续的充电，并且因此提供电容器161的用于放电的持续的准备。

如果在直流电压网10中出现短路，或者由于另外的原因需要断开直流电流，则现在电容器161与变压器14的次级绕组连接。为此，由桥164的一个串联电路的IGBT和另外的串联电路的IGBT构成的对被接通。通过对的选择，电容器可以以两个极性中的任意一个极性与变压器14的次级绕组连接。感应的电压的方向取决于选择的极性。因此，利用图3的脉冲电压模块16可以断开两个方向的直流电流，即直流电压开关12可以双向地工作。特别具有优势的是，开关在直流电网中工作，从而在开关的两侧布置电压源，其具有变化的电流方向，并且在两侧可以形成短路。在机械开关13中的总电流又通过感应的电压和与之相关联的电流被过补偿，并且经历过零点。可能形成的电弧由此熄灭。

在根据图3的示例中没有设置短路开关163。可能有利的是，变压器14的次级绕组没有短路，并且附加的电感以变压器14的初级绕组的形式保留在运行电流路径中，例如为了平滑电流或为了限制电流升高。

图4示出了用于实施脉冲电流模块16的另外的可能性。在此，脉冲电流模块16包括转换器的部分，例如三相逆变器165和电容器161，其对于转换器来说同时构成相关的中间电路电容器。因此，脉冲电流模块16不与例如直流电压网10的另外的组件分开地建立，而是与这些组件、例如转换器重叠地建立。由此有利地省去电子组件。

在根据图4的示例中，变压器14的次级绕组以其一个接头与转换器的一个交流电压输出端连接。另外的接头接入具有两个IGBT的附加的半桥167的中间，其中，该附加的半桥167与电容器161并联连接，并且与逆变器165的另外的半桥并联连接。

控制装置17在此合适地也设计为用于控制转换器，由此对于断开直流电流的情况，可以控制转换器的开关，以便合适地脱离转换器的正常的控制行为，这是因为电容器161被放电。

通过将变压器14连接至逆变器165的一个半桥和附加的半桥167，根据图4的脉冲电压模块16能够将电容器161以两个极性与变压器14连接，并且因此导致直流电压网10中的电流的双向断开。

Claims (10)

1.一种直流电压开关(12)，具有两个连接端子(121、122)，具有机械开关(13)的运行电流路径在所述两个连接端子之间延伸；以及具有用于产生相对于所述运行路径中的电压的反向电压的部件，其中，所述部件包括：

-变压器(14)，其初级侧在运行电流路径中与机械开关(13)串联连接；

-与变压器(14)的次级侧连接的电压源(161)；

-与电压源(161)串联连接的开关(162)。

2.根据权利要求1所述的直流电压开关(12)，其中，所述电压源(161)包括电容器(161)。

3.根据权利要求2所述的直流电压开关(12)，其中，所述电容器(161)与用于给电容器(161)充电的装置连接。

4.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)，其中，所述机械开关(13)是具有小于5ms的开关时间的开关。

5.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)，其具有用于使变压器(14)的次级侧的绕组短路的开关(163)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)，其中，所述电压源(161)是转换器的中间电路电容器。

7.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)，其设计为，所述电压源(161)能够以两个极性与变压器的次级侧的绕组连接。

8.根据权利要求7所述的直流电压开关(12)，其中，在变压器(14)的次级侧与电压源(161)之间布置桥电路(164)。

9.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)的高压直流输电网。

10.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12)的车辆、尤其是轨道车辆。