CN111630748B - 转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于实现在两个供能系统(17，18)之间的不间断转换的转换装置(1)，所述转换装置(1)具有包含第一旁路开关(8)以及第一半导体电路配置(11)的第一外侧线区段(2)，并且具有包含第二旁路开关(14)以及第二半导体电路配置(15)的第二外侧线区段(5)，其中转换装置(1)具有针对第一电压和/或第一电网频率的第一测量装置(31)，其与第一外侧线区段(2)连接，其中控制单元(13)以可预设的方式操纵第一和第二旁路开关(8，14)以及第一和第二半导体电路配置(11，15)，其中所述第一测量装置(31)将第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号传输至控制单元(13)，其将这些信号与至少一个第一供能系统转换标准进行比较，其中控制单元(13)还适于在符合第一供能系统转换条件的情况下首先将第一外侧线区段(2)切断且紧随其后地将第二外侧线区段(5)接通。

Description

转换装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的转换装置。
背景技术
已知通过一或数个额外的供电系统对电气设备进行保护，以免其受主电源故障影响的方案。这类额外的供电系统的示例例如为电池系统和/或柴油发电机。
目前最常用的是所谓的“static transfer switches(静态转换开关)”。其为机械转换继电器。这些机械转换继电器具有较小的体积电阻，这在工作中具有优势，但同时转换时间较长，导致可能发生供电关键负载的失灵。
此外已知所谓的固态转换开关。其为纯粹的半导体转换开关。这类固态解决方案的优点在于非常快的不间断的转换。然而，针对每个待转换的能量源，在电流路径中设有至少一个功率半导体，例如晶闸管。由于涉及应急系统，用于确保应急模式的对应组件需要持续地处于工作中或处于就绪状态下。因此，所需的功率半导体持续地处于与馈电线连通的状态下。这些功率半导体具有不小的电阻，其可能导致显著升温。除了需要采取措施来散热以外，半导体上的仍然有所升高的环境温度使半导体的寿命缩短。其中，产生的热通常大到被动冷却已不足够、并且需要通风机或液冷装置的程度。这样一来，这类设备大多非常庞大、复杂、高成本并且造成噪声。固态转换开关常被与所谓的“离线式UPS”组合使用。
此外，就特别敏感的负载而言，需要电网电压的精确同步。因此，这类系统通常具有整流器和逆变器，进而变得更加复杂。这也被称作“Double Conversion(双变换)”。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种本文开篇所述类型的转换装置，其能够避免前述缺点，需要较小的结构空间，具有简单的结构、较小的自热和长寿命。
本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1的特征。
借此能够提供具有较小内阻的转换装置。这样一来，这个转换装置也具有较小的自热。可简单地通过被动冷却元件将产生的热从壳体导出，而无需为此增设元件，特别是通风机。这样便不会产生噪声或振动。较小的升温使得涉及的半导体具有长寿命。由于不采用复杂的冷却措施，能够实现技术上较为简单的结构，其易于制造且需要的体积小。
本发明的转换装置也可用作保护开关，从而无需采用另一独立的保护开关或熔断器。
本发明的转换装置还可用于以高接通电流启动高功率的负载，例如用以启动电动马达，故无需采用另一对应且独立的设备。
从属权利要求涉及的是本发明的更多有利技术方案。
在此明确引用权利要求书的字句，故权利要求书通过引用而成为说明书的内容并视为字面重复。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细说明，附图中仅示例性呈现优选实施方式。其中：
图1为本发明的转换装置的第一实施方式的示意图；以及
图2为本发明的转换装置的第二实施方式的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出用于实现在两个供能系统17、18之间的不间断转换的转换装置1，其中转换装置1具有至少一个第一外侧线区段2和一个第二外侧线区段5，其中在第一外侧线区段2中设有第一机械旁路开关8，其中转换装置1的第一半导体电路配置11与第一旁路开关8并联，其中转换装置1具有用于记录第一电压和/或第一电网频率的第一测量装置31，该第一测量装置31是与第一外侧线区段2连接，其中在第二外侧线区段5中设有第二机械旁路开关14，其中转换装置1的第二半导体电路配置15与第二旁路开关14并联，其中转换装置1的电子控制单元13适于以可预设的方式操纵第一旁路开关8、第一半导体电路配置11、第二旁路开关14和第二半导体电路配置15，其中第一测量装置31为了传输第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号而与控制单元13以通信方式连接，其中控制单元13适于将所述第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号与至少一个第一供能系统转换标准进行比较，其中控制单元13还适于在符合第一供能系统转换标准的情况下首先将第一外侧线区段2切断并紧随其后地将第二外侧线区段5接通。在转换期间，将可能或优选设有的隔离开关9、10闭合。
借此能够提供具有较小内阻的转换装置1。这样一来，这个转换装置也具有较小的自热。可简单地通过被动冷却元件将产生的热从壳体导出，而无需为此增设元件，特别是通风机。这样便不会产生噪声或振动。较小的升温使得涉及的半导体具有长寿命。由于不采用复杂的冷却措施，能够实现技术上较为简单的结构，其易于制造且需要的体积小。
本发明的转换装置1也可具有保护开关功能，从而无需采用另一独立的保护开关或熔断器。
本发明的转换装置1还可用于以高接通电流启动高功率的负载23，例如用以启动电动马达，故无需采用另一独立的设备。
这样一来，借助仅一个装置便能实施用于运行和保护电气设备的各种电气功能。
本发明的转换装置1适于布置在至少两个不同的且通常相互独立的供能系统17、18与至少一个负载23或下游的安装环境之间。第一和第二供能系统17、18可以是任意供能系统17、18，特别是包括至少一个电网接头、发电机组、电池存储系统等。转换装置1在正常工作中将第一供能系统17与负载23连接。其中，在供能系统17、18与负载23之间还可设有其他电子组件，例如故障电流保护开关和/或诸如此类。特别是在将第二供能系统18构建为蓄电池的方案中，为了持续地对蓄电池进行充电，这个蓄电池可在输入侧与第一供能系统17连接。
转换装置1用于在第一供能系统17发生故障或受到可预设的负面影响的情况下从第一供能系统17转换至第二供能系统18，借此确保对负载23的供能。其中，能够大体不间断地、进而快速或无过渡地进行转换，以免负载23关断或受损。
转换装置1优选是低压设备。
转换装置1具有至少一个第一外侧线区段2和一个第二外侧线区段5，其中也可以设有数目更多的外侧线区段，具体视备选供能系统17、18的可用性而定。在正常工作中，外侧线区段2、5中的一个分别与供能系统17、18中的一个连接。
外侧线区段2、5的结构大体相同。
所示转换装置1仅示出所述至少两个外侧线区段2、5。此外，根据本发明的转换装置1的其他未绘示的实施方式，所述转换装置还具有至少一个中性线区段。其中，针对每个外侧线区段2、5，转换装置1特别是也具有与这个外侧线区段对应的中性线区段。特别优选地，所述中性线区段的结构均与根据本发明描述的外侧线区段2、5相同。
其中，在第一外侧线区段2中设有第一机械旁路开关8。转换装置1的第一半导体电路配置11是与第一旁路开关8并联。
相应地，在第二外侧线区段5中设有第二机械旁路开关14。转换装置1的第二半导体电路配置15是与第二旁路开关14并联。
根据本发明的一个优选的进一步方案，以及如图1和图2所示，还在第一外侧线区段2中设有第一电流测量配置12，在第二外侧线区段5中设有第二电流测量配置16，第一电流测量配置12为了传输第一电流测量信号而与控制单元13以通信方式连接，以及，第二电流测量配置16为了传输第二电流测量信号而与控制单元13以通信方式连接。借此例如能够检测出过电流或短路电流。借此还能确保：在从第一外侧线2转换至第二外侧线5后，实际上不再有电流流经第一外侧线2。这与切断外侧线2的方式相关。
其中，外侧线区段2、5根据所谓的混合型电路配置的原理工作，如同在WO 2015/028634 A1中所揭示的那样。在正常工作中，半导体电路配置11、15不接通，也不载流。这些半导体电路配置仅在通断操作期间工作。
根据示出的两个优选实施方式，半导体电路配置11、15是以包括所谓的背对背IGBT(Back-to-Back IGBT)21的方式构建，其中在此也可采用其他功率半导体以及其他通断方案。
根据一个优选实施方式，还有第一压敏电阻器19与第一旁路开关8并联。优选地，第二压敏电阻器20与第二旁路开关14并联。
转换装置1具有至少一个电子控制单元13，其优选以包括微控制器的方式构建。转换装置1还具有未绘示的用于为控制单元13以及其他易感的有源组件供能的供电单元。
控制单元13适于以可预设的方式对第一旁路开关8、第一半导体电路配置11、第二旁路开关14和第二半导体电路配置15进行操纵，故而将其接通或切断。
转换装置1具有至少一个用于记录第一电压和/或第一电网频率的第一测量装置31，所述第一测量装置31是与第一外侧线区段2连接。其中，第一测量装置31特别是构建为电压表，其布置在第一外侧线区段2与基准电位33之间，如图1和图2所示。
第一测量装置31测定第一电压测量信号和/或第一电网电压测量信号，并将这些信号传输至以通信方式与第一测量装置31连接的控制单元13。优选以有线的方式进行此连接。其中，例如也可以根据电压测量信号的特性曲线，通过计算电压测量信号的过零之间的时间间隔直接测定电网频率。实践表明，电压或电网电压，以及频率或电网频率能够良好地指示交流电压源的状态。
控制单元13将所述第一电压测量信号以及/或者所述第一电网频率测量信号与至少一个第一供能系统转换标准进行比较。这样便能监控：供能系统17是否将稳定的电力提供给负载23。可以根据负载23的要求定义供能系统转换标准，或者就特定典型负载23的常见要求进行定义。此外，除电网频率的大小及/或电网电压的大小以外，供能系统转换标准还可包括瞬态电压的存在、谐波分量、谐波的分布和/或诸如此类。控制单元13是视情况而定相应地构建，从而根据提供的测量信号，例如在实施变换(例如FFT)的情况下测定谐波的分布和诸如此类。
在第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号符合第一供能系统转换标准的情况下，控制单元13首先将第一外侧线区段2切断，并且大体紧接着或随后将第二外侧线区段5接通。当然，供能系统转换标准也可以以在不符合这种标准的情况下进行相应转换的方式拟定。
下面对典型的通断操作进行说明，其中控制单元(13)相应地适于对这些操作进行控制或对相应的组件进行控制。控制单元13例如可以借助μP、μC或FPGA简单地实施。
如前所述，为了从第一外侧线区段2转换至第二外侧线区段5，控制单元13将第一外侧线区段2切断并紧随其后地将第二外侧线区段5接通。其中，在符合供能系统转换标准的情况下，首先将第一旁路开关8打开和将第一半导体电路配置11接通。随后通过第一半导体电路配置11将第一外侧线区段2切断。紧随其后地，将第二半导体电路配置15接通，进而同时将第二旁路开关14接通。
其中“紧随”是指：在第一外侧线区段2切断后，控制单元13立即地，故而在数目尽可能小的过程周期内，特别是随下一过程周期将接通指令输出至第二外侧线区段5。特别是在第一外侧线区段2切断后在小于10μs内由控制单元发出接通指令。
所述第一和第二旁路开关是构建为机电开关。这些开关特别是构建为所谓的高速开关。这类高速开关能够在数百μs内打开。
尽管第二旁路开关14的通断非常快，但在大体同时控制的情况下，第二半导体电路配置15的通断速度远高于第二旁路开关14的机械触点，并在数微秒内具备完全的传导性，故负载电流能够在这数微妙内流经第二半导体电路配置15。一旦第二旁路开关14的触点闭合，并且也不再发生触点颤动(在闭合指令后等待可预设的时间跨度、例如数百微秒后可假定如此)，控制单元13优选立即将第二半导体电路配置15切断。电流现从第二供能系统18通过第二旁路开关14的闭合的机械开关触点在绕过半导体电路配置15的情况下流动至负载23。作为替代方案，也可以不将半导体电路配置15切断，因为第二旁路开关14的接触电阻小于第二半导体电路配置15的电阻。
优选地，控制单元13还适于在第一供能系统17重新运作的情况下首先将第二外侧线区段(5)切断，并紧随其后地将第一外侧线区段(2)接通。当第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号符合第二供能系统转换标准时，例如可能会出现上述情况。其中，优选通过不同的第一和第二供能系统转换标准形成一个通断滞后，从而避免在这两个供能系统17、18之间的不必要的来回切换。
优选地，如图1和图2所示，转换装置1还具有用于记录第二电压和/或第二电网频率的第二测量装置32，该第二测量装置32是与第二外侧线区段5连接，以及，第二测量装置32为了传输第二电压测量信号和/或第二电网频率测量信号而与控制单元13以通信方式连接。这样便也能检验第二供能系统18的品质。特别是在增设第三供能系统的情况下，借此能够转换至提供具有最高品质的电流的那个供能系统。
尽管第一和第二外侧线区段2、5分别具有形式为第一或第二旁路开关8、14的机械触点，但在第一旁路开关8以及第二旁路开关14与负载23或转换装置1的输出之间优选设有至少一个用于确保电隔离的机械隔离开关9。旁路开关8、14特别是针对特别快速的触点断开设计，但不涉及特别大的触点间隙。通过至少一个第一机械隔离开关9能够确保负载23的电隔离。
根据图2的实施方式具有仅单独一个隔离开关9。根据图1的实施方式在第一外侧线区段2中具有第一隔离开关9，以及在第二外侧线区段5中具有第二隔离开关10。
本发明的转换装置1可以构建为独立的开关设备，其在此情形下具有壳体以及针对负载23和供能系统17、18的对应的接线端子。此外，优选设有至少一个与控制单元13连接的通信接口。
转换装置1也可以是所谓的不间断供电设备的组成部分。特别优选地，转换装置1形成包含电池存储系统的组件。
除所述转换功能以外，根据一个优选的进一步方案，为了限制下游的负载23的接通电流，控制单元13适于在旁路开关8打开的情况下以根据测得的负载电流可预设地周期化的方式，特别是依据脉宽调制，将第一半导体电路配置11接通/切断。这样例如便能实施所谓的软启动功能，例如用以启动马达。
根据另一实施方式，转换装置1优选还用作过电流保护/短路保护。为此，控制单元13适于将所述第一和/或第二电流信号与至少一个过电流标准和/或短路标准进行比较，其中控制单元13还适于
-在第一电流信号符合过电流标准和/或短路标准的情况下，将第一外侧线区段2切断，以及/或者
-在第二电流信号符合过电流标准和/或短路标准的情况下，将第二外侧线区段5切断。
借此也能将保护功能完全整合在转换装置1中，且不再需要其他保护开关。其中，如同在WO 2015/028634 A1中所描述的那样，依据通断样式将各外侧线区段2、5切断。

Claims (7)

1.一种用于实现在两个供能系统（17，18）之间的不间断转换的转换装置（1），其中所述转换装置（1）具有至少一个第一外侧线区段（2）和一个第二外侧线区段（5），其中在所述第一外侧线区段（2）中设有第一机械旁路开关（8），其中转换装置（1）的第一半导体电路配置（11）与所述第一机械旁路开关（8）并联，其中转换装置（1）具有用于记录第一电压和/或第一电网频率的第一测量装置（31），所述第一测量装置（31）是与第一外侧线区段（2）连接，其中在所述第二外侧线区段（5）中设有第二机械旁路开关（14），其中转换装置（1）的第二半导体电路配置（15）与所述第二机械旁路开关（14）并联，其中转换装置（1）的电子控制单元（13）适于以预设的方式操纵第一机械旁路开关（8）、第一半导体电路配置（11）、第二机械旁路开关（14）和第二半导体电路配置（15），其中第一测量装置（31）为了传输第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号而与所述电子控制单元（13）以通信方式连接，其中电子控制单元（13）适于将所述第一电压测量信号和/或第一电网频率测量信号与至少一个第一供能系统转换标准进行比较，其中电子控制单元（13）还适于在符合所述第一供能系统转换标准的情况下首先将第一外侧线区段（2）切断并紧随其后地将第二外侧线区段（5）接通，其特征在于，在第一机械旁路开关（8）以及第二机械旁路开关（14）与转换装置（1）的输出之间设有至少一个用于确保电隔离的第一机械隔离开关（9），以及，在所述第一外侧线区段（2）中设有第一电流测量配置（12），在所述第二外侧线区段（5）中设有第二电流测量配置（16），所述第一电流测量配置（12）为了传输第一电流测量信号而与所述电子控制单元（13）以通信方式连接，以及，所述第二电流测量配置（16）为了传输第二电流测量信号而与电子控制单元（13）以通信方式连接，为了限制下游的负载（23）的接通电流，所述电子控制单元（13）适于在第一机械旁路开关（8）打开的情况下以根据测得的负载电流预设地周期化的方式，依据脉宽调制，将所述第一半导体电路配置（11）接通/切断。
2.根据权利要求1所述的转换装置（1），其特征在于，所述转换装置（1）具有用于记录第二电压和/或第二电网频率的第二测量装置（32），所述第二测量装置（32）是与所述第二外侧线区段（5）连接，以及，第二测量装置（32）为了传输第二电压测量信号和/或第二电网频率测量信号而与所述电子控制单元（13）以通信方式连接。
3.根据权利要求1或2所述的转换装置（1），其特征在于，所述电子控制单元（13）适于将所述第二外侧线区段（5）接通，同时将所述第二半导体电路配置（15）接通和将所述第二机械旁路开关（14）闭合，以及随后在第二机械旁路开关（14）成功闭合后将第二半导体电路配置（15）切断。
4.根据权利要求1或2所述的转换装置（1），其特征在于，所述电子控制单元（13）适于将所述第一机械旁路开关（8）打开，以将所述第一外侧线区段（2）断开。
5. 根据权利要求1或2所述的转换装置（1），其特征在于，所述电子控制单元（13）适于在所述第一电压测量信号和/或所述第一电网频率测量信号符合第二供能系统转换标准的情况下，首先将所述第二外侧线区段（5）切断，且紧随其后地将所述第一外侧线区段（2）接通。
6. 根据权利要求1或2所述的转换装置（1），其特征在于，所述电子控制单元（13）适于将所述第一和/或第二电流信号与至少一个过电流标准和/或短路标准进行比较，其中电子控制单元（13）还适于
-在第一电流信号符合过电流标准和/或短路标准的情况下，将所述第一外侧线区段（2）切断，以及/或者
-在第二电流信号符合过电流标准和/或短路标准的情况下，将所述第二外侧线区段（5）切断。
7.一种具有如权利要求1至6中任一项所述的转换装置（1）的不间断的供电设备。
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