CN108781075A - 直流电压开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流电压开关，其具有用于串联地接入直流电网的第一极的第一和第二连接端，其中，‑具有半导体开关的旁路电流路径在所述连接端之间延伸，以及‑与所述旁路电流路径并联地布置有运行电流路径，所述运行电流路径具有机械开关和与其串联的变压器的初级侧绕组，‑所述变压器的次级侧绕组连接在电压源和用于接入直流电网的第二极的第三连接端之间，‑在电压源和第三连接端之间与所述变压器的次级侧绕组串联地布置有开关，‑电压源经由二极管和负载电阻与第一连接端连接，‑存在用于控制开关的控制设备，所述控制设备被设计为，在断开机械开关之后重复地确定电压源的电压，并且以间隔的方式接通开关，使得所确定的电压保持在能够确定的阈值以下。

Description

直流电压开关
技术领域
本发明涉及一种具有两个连接端的直流电压开关，具有机械开关的运行电流路径和与其并联的具有半导体开关的旁路电流路径在所述两个连接端之间延伸。
背景技术
由于没有过零点，断开直流电流(DC电流)要比断开交流电流(AC电流)更困难。在AC电流的情况下，在断开触点时形成的电弧在合适的设计中在下一个电流过零点熄灭，而在DC电流的情况下，电弧还在较大的距离上继续燃烧，直到开关损坏。
已知不同的设计来实现DC电流的可靠的断开。一种这种设计基于产生反向电流，反向电流对负载电流进行补偿，使得机械开关中的电流获得过零点。然后，可以在没有电流的情况下断开开关，从而不形成电弧或者将电弧熄灭。在另一种设计中，电流首先换向到半导体开关中，半导体开关可以在没有电弧的情况下断开电流。
断开直流电流时的一般问题在于，必须减小存储在直流电网中的感性能量，从而避免直流电网的部件损坏。已知为此使用限压元件。但是限压元件具有有限的寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种直流电压开关，其使得能够更好地减小存储在直流电网中的感性能量。
该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用于串联地接入直流电网的第一极的第一和第二连接端。具有半导体开关的旁路电流路径和与所述旁路电流路径并联的运行电流路径在所述连接端之间延伸，运行电流路径具有机械开关和与其串联的变压器的初级侧绕组。变压器的次级侧绕组连接在电压源和用于接入直流电网的第二极的第三连接端之间。在电压源和第三连接端之间与变压器的次级侧绕组串联地布置有开关。电压源还经由二极管和负载电阻与第一连接端连接。最后，存在用于控制开关的控制设备，所述控制设备被设计为，在断开机械开关之后重复地确定电压源的电压，并且以间隔的方式接通开关，使得所确定的电压保持在能够确定的阈值以下。。
有利地，在根据本发明的直流电压开关中，存储在直流电网中的感性能量直接通过开关来减小。不需要用于限制过电压的另外的元件，例如压敏电阻。如果控制器已经将开关断开，只要还有能量被感性地存储，则电压源上的电压就随着时间增大。控制器连续地或者以间隔的方式检测电压源上的电压。如果超过或者达到高于直流电网的运行电压的针对电压的可确定的阈值，则接通开关。由此形成从直流电网的第一极到直流电网的第二极的电流路径。由此实现限时续流回路，并且电压源上的电压下降。
有利地，当电压下降到另一个阈值以下时，控制器再次断开开关。所述另一个阈值可以对应于所述阈值，或者也可以低于所述阈值。有利地，所述另一个阈值也高于直流电网的运行电压。
权利要求1的从属权利要求给出根据本发明的直流电压开关的有利的构造。在此，根据权利要求1的实施方式可以与从属权利要求中的一个的特征或者优选也可以与多个从属权利要求中的特征组合。因此，还可以为直流电压开关附加地设置如下特征：
-第三连接端也可以与另外的接地电势连接，而不是与直流电网的第二极连接。
-可以与变压器的次级侧并联地连接第二电阻。优选确定该电阻的大小，使得至少要断开的最大电流可以在额定电压下流走。
-可以与变压器的次级侧并联地连接二极管。
-旁路电流路径可以包括两个反向串联连接的HL开关，并且主电流路径可以包括另一个变压器的初级侧。以这种方式，直流电压开关可以连接为双向开关。换言之，开关由此能够断开两个方向的直流电流。在此，有利的是，变压器的次级侧串联连接，并且另一个变压器的次级侧的、远离变压器的次级侧的连接端通过另一个开关与第三连接端连接。
-电压源优选包括能量存储设备，特别是电容器。电容器尤其适合用于快速释放所需的能量，从而补偿直流电网中的短路电流或者正常的运行电流，因此强制产生电流的过零点。
-电压源可以作为独立的设备、例如作为独立的电容器来设置，其与直流电网的其它电容器无关地连接到变压器。由此，例如通过电压源自己的充电电路，可以与其它条件无关地保证电压源的准备就绪。
-可以作为另外的电路的一部分、例如作为例如另外与直流电网有关的转换器的中间电路电容器连接电压源。由此，再利用已有的结构资源，因此整体上实现部件的节省。
-机械开关可以具有小于5ms的开关时间。因为电流过零点基于能量存储器的放电，因此出现电流过零点的时间段通常被限制为仅几毫秒。有利地，机械开关可以在该时间内断开，以实现对电弧的可靠的抑制或者熄灭。
-设备可以被设计为，变压器的次级侧绕组可以短路。为此，例如可以在变压器的次级侧绕组的绕组末端之间设置具有半导体开关或者快速机械开关的连接。通过将变压器的次级侧绕组短路，变压器的初级侧绕组的电感下降到非常小的值，由此有利地避免变压器的初级侧绕组影响直流电网的特性。
附图说明
现在，参考附图的图示更详细地解释本发明的优选的、但是不限制本发明的实施例。在此，示意性地示出了特征，并且
图1示出了直流电网的一部分中的单向直流电压开关，
图2示出了直流电网的一部分中的双向直流电压开关。
具体实施方式
图1作为本发明的实施例示出了直流电网10的一部分中的直流电压开关12。直流电网10由直流电压源11供电，因此向直流电网10供应直流电压。直流电网10可以是电源中的网络，或者例如是车辆、例如机车(Lokomotive)或者机动车(Triebwagen)中的网络，或者向电动车辆的网络供电的领域中的网络。原则上，该原理适用于从低压到中压到高压的所有电压等级。直流电压开关12布置在未示出的负载和直流电压源11之间。在此，直流电压开关12通过第一和第二连接端子121、122串联连接到直流电网10的第一极111中。第三连接端子123与直流电网10的第二极连接。
在第一和第二连接端子121、122之间，直流电压开关12具有由变压器14的初级侧绕组和机械开关13组成的串联电路。该串联电路是主电流路径，直流电网10正常运行时的电流流过该主电流路径。机械开关13和变压器14的初级绕组仅具有非常小的电阻，因此仅产生非常小的损耗。IGBT形式的主开关15与该串联电路并联地布置，主开关15是旁路电流路径，在正常运行中，没有电流或者仅有很小的电流流过旁路电流路径，因为IGBT在接通的情况下也具有比机械开关13明显更大的电阻或者电压降。
直流电压开关12还包括经由续流二极管19的续流路径，作为第二和第三连接端子122，123之间的连接。该续流路径是可选的，当存储在网络电感1111中、例如线缆中的能量在快速中断电流时可能导致破坏时，使用该续流路径。
从面向变压器14的初级绕组的连接端子中的第一连接端子121出发，存在经由二极管163和负载电阻162到电容器161的另外的连接。电容器161的远离其的连接端与第三连接端子123连接。
电容器161和负载电阻162之间的电势点与变压器14的次级绕组连接。从该次级绕组继续延伸，布置有IGBT形式的开关152，开关152的第二连接端与第三连接端子123连接，因此与直流电网10的第二极连接。在正常运行的情况下，开关152断开，从而电容器161不能放电。在正常运行的情况下，持续对电容器161充电。
通过选择变压器14的转换比，可以确定电容器161需要的电压，由此确定部件的准确设计。在此，例如可以针对快速断开或者针对小的结构尺寸来优化部件。对于变压器14的初级侧和次级侧之间的匝数比，适宜使用0.01和0.1之间的值。在次级侧仅需要比要换向电流时的半导体上的电压降大的电压，这在低压应用中低于10V。所需的电容器161的电容以及所需的充电电压的大小根据直流电网10的电压和变压器14的转换比得出。
首先，在正常运行中，所有电流流过机械开关13。为了开始断开过程，直流电压开关12的控制器17首先接通主开关15。由于导通电阻较大，首先仅一小部分电流从机械开关13换向到主开关15中。为了强制进行这种换向，接通开关152，由此电容器161经由变压器14放电。由此，在具有机械开关13的主电流路径中产生电压，使得电流完全换向到主开关15中。然后，在没有电流的情况下断开机械开关13，并且开关152再次闭合。在最后的步骤中，现在必须也将主开关15断开，以便完全中断电流流动。
存储在网络电感1112中的能量可以经由续流二极管19放电。网络电感1111中的能量将在直流电压开关12中的输入端处产生高的过电压。为了减小这种能量并且限制电压，现在再次周期性地接通和断开开关152。由此，该能量在负载电阻162中转换为热，并且通过网络电感1111、二极管163和负载电阻162的电流流动减小。在开关152断开的脉冲间隔中，电流可以继续流向电容器161，从而不会导致快速的电流中断。在开关152接通的时间期间，电容器161于是再次放电，以限制电压。
在图2中示出了本发明的第二实施例。与图1的直流电压开关12不同，根据图2的直流电压开关20被设计为可以双向工作，即可以在两个方向上断开电流流动。两个直流电压开关12、20的一致的部件用相同的附图标记表示。在此，直流电压开关20再次通过第一和第二连接端子121、122串联连接到直流电网10的第一极111中。第三连接端子123与直流电网10的第二极连接。
在第一和第二连接端子121、122之间，直流电压开关20具有由变压器14的初级侧绕组、机械开关13和另一个变压器24的初级侧绕组组成的串联电路。该串联电路是主电流路径，电流在直流电网10正常运行时流过该主电流路径。与该串联电路并联地布置有由主开关15和反向串联地布置的另一个主开关25组成的另一个串联电路，其是旁路电流路径。二极管163与主开关15并联连接，其中，二极管163可以作为构件集成在主开关15中。二极管263与另一个主开关25并联连接，其中，二极管263可以作为构件集成在另一个主开关25中。
此外，直流电压开关12包括经由续流二极管19的续流路径，作为第二和第三连接端子122、123之间的连接，并且在第一和第三连接端子121、123之间包括具有另一个续流二极管191的另一个续流路径。
从主开关15和另一个主开关25之间的电势点出发，存在经由负载电阻162到电容器161的连接。电容器161的远离其的连接端与第三连接端子123连接。
电容器161和负载电阻162之间的电势点与变压器14的次级绕组连接。从该次级绕组继续延伸，布置有开关152，开关152的第二连接端与第三连接端子123连接，因此与直流电网10的第二极连接。在开关152和电容器161之间与变压器14的次级绕组并联地布置有二极管271。
此外，电容器161和负载电阻162之间的电势点与另一个变压器24的次级绕组连接。从该次级绕组继续延伸，布置有另一个开关252，另一个开关252的第二连接端与第三连接端子123连接，因此与直流电网10的第二极连接。在另一个开关252和电容器161之间与另一个变压器24的次级绕组并联地布置有二极管272。
换言之，双向直流电压开关20包括两个反向串联连接的单向直流电压开关12，其中，元件：机械开关13、负载电阻162和电容器161仅需要一个。
在断开从左至右、即网络电感1111侧的电流时，将通过开关152和变压器14产生的脉冲用于产生换向电压并且减小网络电感1111中的能量。续流二极管19用于减小网络电感1112中的能量。
在断开从右至左的电流时，使用通过另一个开关252和另一个变压器24产生的脉冲用于产生换向电压并且减小网络电感1112中的能量。续流二极管191用于减小网络电感1111中的能量。与变压器14，24的次级绕组并联的两个二极管271、272用作针对漏感的续流回路，并且与单向直流电压开关12类似，二极管271、272也可以由电阻代替。

Claims (12)

1.一种直流电压开关(12，20)，其具有用于串联地接入直流电网(10)的第一极(111)中的第一和第二连接端(121，122)，其中，
-具有半导体开关(15)的旁路电流路径在所述连接端(121，122)之间延伸，以及
-与所述旁路电流路径并联地布置有运行电流路径，所述运行电流路径具有机械开关(13)和与其串联的变压器(14)的初级侧绕组，
-所述变压器(14)的次级侧绕组连接在电压源(161)和用于接入直流电网(10)的第二极(112)的第三连接端(123)之间，
-在电压源(161)和第三连接端(123)之间与所述变压器(14)的次级侧绕组串联地布置有开关(152)，
-电压源(161)经由二极管(163)和负载电阻(162)与第一连接端(121)连接，
-存在用于控制开关(152)的控制设备(17)，所述控制设备(17)被设计为，在断开机械开关(13)之后重复地确定电压源(161)的电压，并且以间隔的方式接通开关(152)，使得所确定的电压保持在能够确定的阈值以下。
2.根据权利要求1所述的直流电压开关(12，20)，其具有与所述变压器(14)的次级侧并联连接的第二电阻。
3.根据权利要求1或2所述的直流电压开关(12，20)，其具有与所述变压器(14)的次级侧并联连接的二极管(271)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)，其中，
-旁路电流路径包括与半导体开关(15)反向串联连接的另一个半导体开关(25)，
-主电流路径包括另一个变压器(24)的初级侧。
5.根据权利要求4所述的直流电压开关(12，20)，其中，
-所述变压器(14，24)的次级侧串联连接，
-所述另一个变压器(24)的次级侧的、远离所述变压器(14)的次级侧的连接端，通过另一个开关(252)与第三连接端(123)连接。
6.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)，其中，电压源(161)包括电容器(161)。
7.根据权利要求6所述的直流电压开关(12，20)，其中，电容器(161)与用于对电容器(161)充电的设备连接。
8.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)，其中，机械开关(13)是开关时间小于5ms的开关。
9.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)，其具有用于将所述变压器(14)的次级侧绕组短路的开关。
10.根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)，其中，电压源(161)是转换器的中间电路电容器。
11.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)的网络。
12.一种具有根据上述权利要求中任一项所述的直流电压开关(12，20)的车辆，特别是轨道车辆。
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