CN1937352A

CN1937352A - 具有防过热功能的电子式自动切换开关

Info

Publication number: CN1937352A
Application number: CNA2006100930148A
Authority: CN
Inventors: 柳起铉
Original assignee: HANKWANG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Wuxi Hankwang Electric Engieering Co., Ltd.
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: WO2007035017A1; CN100438270C; KR100559955B1

Abstract

本发明涉及具有防过热功能的电子式自动切换开关。本发明的电子式自动切换开关由电子式开关部及辅助开关部构成。电子式开关部由半导体开关元件构成，与之并联的辅助开关部由非发热元件构成。切换恒定电源与备用电源的切换动作，利用半导体开关元件，在电源电压的相位为零度时实现；持续供给电源电压通过辅助开关部实现。因此，完成切换动作以后，几乎不会发生半导体开关元件因为被提供给负荷的电力而发热的现象。因此无需使用散热板，不使用散热板可以制作更加小巧的开关。

Description

具有防过热功能的电子式自动切换开关

技术领域

本发明涉及一种自动切换开关(Automatic Transfer Switch：ATS)，更详细地说，涉及一种不发热的电子式自动切换开关，它可以防止开关切换所需的电子式开关部所使用的半导体开关元件过热。

背景技术

自动切换开关是将一个以上的负荷由一个电源自动切换到其它电源的装置。如图1所示，自动切换开关2在正常状态下，使来自于恒定电源的电力被提供给负荷4，在此过程中，若恒定电源因为事故或故障而无法正常供给，将自动进行切换，使来自于备用电源的电力被提供给负荷。恒定电源一般使用商业电源，备用电源通常使用发电电源或备用电池电源等。

上述自动切换开关大部分为机械式，因机械式开关结构的物理性限制，很难进一步提高切换速度。机械式开关存在的问题是，在动作过程中产生机械噪音，而且接点会遭到磨损，严重时还会发生接点熔着的现象。

另一个存在的问题是，切换时产生的噪音和电弧放电可能会使负荷受到损伤。尤其由于负荷特性的不同，有时会因噪音和电弧放电而导致误动作或严重的损伤。比如，就自动化及无人操作系统来说，严重时，可能会由于误动作而酿成人员伤亡事故。自动生产线中负责数控的控制器可能会由于误动作而生产出大量的次品。

这些问题的发生与输入电源的相位无关，皆因切换动作而产生。本发明人在2005年1月10日申请的申请号为10-2005-0002211的韩国专利中，提到了可以克服这些问题的电子式自动切换开关。此电子式自动切换开关在输入电源切换操作时，当输入电源的相位为零度时，进行电源的切换，可以防止噪音和电弧放电以及负荷的损伤。

另一方面，用于电子式自动切换开关的半导体开关元件在通电时会发热。一般用于电子式自动切换开关的半导体开关元件为三端双向可控硅开关元件(triac)。从结构上看，三端双向可控硅开关元件的阳极(anode)与阴极(cathode)由5层PN接合而成，因此，如果导通，会由于接合部的接触电阻而产生相当大的接合热。接合热1A约产生1～2W左右。

为了冷却半导体开关元件中产生的热，必须使用散热板，如果散热板较小或热交换不通畅，则必须强行进行通风，哪怕是使用风扇。

但是，电子式自动切换开关大部分安装于配电板上，由于配电板的特性要求其具有密闭式结构，因而有时难以构成通风口或其它的换气口。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种电子式自动切换开关，它可以有效地防止电子式自动切换开关的半导体开关元件发热。

本发明是为了解决上述技术问题而提出的，它涉及具有防过热功能的电子式自动切换开关。本发明的具有防过热功能的电子式自动切换开关由如下几个部分构成：第1整流部，它接受恒定电源(Constant Power)的输入并进行整流，输出第1电源电压V1；第2整流部，它接受备用电源(Emergency Power)的输入并进行整流，输出第2电源电压V2；内部电源发生部，它接受第1电源电压和第2电源电压的输入，产生动作电源；控制部，它感知恒定电源有无异常，当恒定电源正常时，使第1电源电压被输出到负荷，而当恒定电源异常时，则使第2电源电压被输出到负荷；电子式开关部，它接受上述控制部的控制，进行切换动作，使第1电源电压与第2电源电压中的某一个被提供给负荷，当第1及2电源电压的相位为零度时，进行开关动作；辅助开关部，它由不发热性开关元件构成，接受上述控制部的控制，与上述电子式开关部联动完成切换动作，使第1电源电压与第2电源电压中的某一个被提供给负荷。被提供给负荷的电力一开始通过电子式开关部被提供，经过一定的时间之后，通过辅助开关部被提供。

上述电子式开关部最好由如下几个部分构成：第1开关部，连接在第1电源电压与负荷之间，按相位进行开关控制，它具有4个第1开关模块，当第1电源电压的相位为零度时进行切换动作；第1开关驱动部，它按照控制部的控制驱动第1开关模块；第2开关部，它连接在第2电源电压与负荷之间，具有4个第2开关模块，当第2电源电压的相位为零度时进行切换动作；第2开关驱动部，它按照控制部的控制驱动第2开关模块。

上述辅助开关部最好由如下几个部分构成：第1辅助开关部，它具有4个分别并联在第1开关部的4个第1开关模块上的第1闩锁继电器模块；第2辅助开关部，它具有4个分别并联在第2开关部的4个第2开关模块上的第2闩锁继电器模块。

上述辅助开关部在接通(turn-on)动作中，以一定的时间差迟于电子式开关部接通；在断开(turn-off)动作中，以一定的时间差先于电子式开关部断开。

附图说明

为了更加充分地理解本发明的详细说明中所使用的附图，提供关于各个附图的简要说明。

图1是说明一般自动切换开关电气连接结构的结构图。

图2是说明本发明的有益实施例的具有防过热功能的电子式自动切换开关之电路构成的结构图。

图3是详细说明图2的电子式开关部与辅助开关部之电路构成的附图。

图4及图5是说明电子式开关部与辅助开关部的切换动作的流程图。

具体实施方式

为充分理解本发明与本发明的益处及通过本发明的实施例实现的目的，必须参考用以说明本发明的有益实施例的附图及附图中的内容。为帮助理解各个附图，相同的构件尽可能地以相同的参考符号标注。被认为可能会模糊本发明宗旨的众所周知的功能以及关于构成的详细说明在此省略。

下面参考附图说明本发明的有益实施例，由此详细说明本发明的具有防过热功能的电子式自动切换开关。

图2是说明本发明的有益实施例的具有防过热功能的电子式自动切换开关之电路构成的结构图。由附图可知，本发明的有益实施例的电子式自动切换开关100基本上由如下几个部分构成：第1整流部10；第2整流部13；内部电源发生部20；电子式开关部30；控制部50；辅助开关部110。

第1整流部10的输入端连接接受恒定电源输入的第1连接器12；第2整流部13的输入端连接接受备用电源输入的第2连接器15。第1整流部10的输入端与第1连接器12之间连接第1保险丝11；第2整流部13的输入端与第2连接器15之间连接第2保险丝14。

第1整流部10接受恒定电源的输入并进行整流，将第1电源电压V1输出到内部电源发生部20、电子式开关部30及辅助开关部110。第2整流部13接受备用电源的输入并进行整流，将第2电源电压V2输出到内部电源发生部20、电子式开关部30及辅助开关部110。内部电源发生部20接受第1电源电压V1或第2电源电压V2的输入，产生内部动作电源Vcc。

电子式开关部30与辅助开关部110按照控制部50的控制进行切换动作，使第1电源电压V1与第2电源电压V2中的一个被提供给负荷4。在切换动作中，电子式开关部30当第1及2电源电压V1，V2的相位为零度时进行开关动作。

辅助开关部110与电子式开关部30联动完成动作。在提供电源所需的切换动作中，首先通过电子式开关部30提供电力，接下来通过辅助开关部110向负荷4提供电力，具体的说明将在后文中叙述。如果电力通过辅助开关部110提供给负荷4，那么通过电子式开关部30进行的电力提供将被中断。因此，电子式开关部30所具有的半导体开关元件不会发热。

控制部50感知恒定电源有无异常，当恒定电源正常时，使第1电源电压V1被输出到负荷4，而当恒定电源异常时，则会控制电子式开关部30的切换动作，使第2电源电压V2被输出到负荷。第1及第2整流部10，13的输出端与控制部50之间连接第1及第2光耦合器16，17。控制部50通过第1及第2光耦合器16，17感知第1及第2电源电压V1，V2的输出状态。

电子式自动切换开关100还可以包括过电流检出部40与辅助接点部80。过电流检出部40检出从电子式开关部30向负荷4输入的电源电压的过电流状态，若过电流被检出，则向控制部50输入过电流检出信号。控制部50对被输入的过电流检出信号做出响应，控制电子式开关部30的切换动作，使被输入到负荷4的电源电压完成开关动作。辅助接点部80具有第1及第2辅助接点82，84，可根据需要连接其它装置，与电子式开关部30的切换动作联动。电子式自动切换开关100还包括前面板60，它由输入部62与状态显示部64及状态值显示部66构成。输入部62与控制部50连接，具有使电子式自动切换开关100进行动作的多个输入开关。状态值显示部64由控制部50进行控制，以数字或文字显示电子式自动切换开关100的状态。状态显示部66以亮灯方式显示电子式自动切换开关100的动作状态。与此相关的更具体的说明详见2005年1月10日申请的编号为10-2005-0002211的韩国专利。

图3是详细说明图2的电子式开关部30与辅助开关部110之电路构成的附图。参考附图可知，电子式开关部30由如下几个部分构成：第1开关部31；第2开关部35；第1开关驱动部33；第2开关驱动部37。

第1开关部31由第1开关驱动部33驱动，它进行切换动作使第1电源电压V1被输入到负荷4或被切断。第2开关部35由第2开关驱动部37驱动，它进行切换动作使第2电源电压V2被输入到负荷4或被切断。

第1开关部31串联或并联在第1电源电压V1与负荷4之间，具有4个按相位进行开关控制的第1开关模块32a，32b，32c，32d。第2开关部35串联或并联在第2电源电压V2与负荷4之间，具有4个按相位进行开关控制的第2开关模块36a，36b，36c，36d。

第1开关模块32a，32b，32c，32d的各个模块由半导体开关元件TR30和光耦合器PC30以及多个电阻(R30，R31，R32)构成。第2开关模块36a，36b，36c，36d的各个模块由半导体开关元件TR35和光耦合器PC35以及多个电阻R35，R36，R37构成。上述半导体开关元件(TR30，TR35)最好由三端双向可控硅开关元件(triac)构成，上述光耦合器(PC30，PC35)最好由三端双向可控硅开关光耦器(Photo Traic)构成。

构成第1开关模块32a，32b，32c，32d的半导体开关元件TR30连接在第1电源电压V1与负荷4之间，光耦合器PC30输入端的阳极端子连接在内部动作电源Vcc上，阴极端子连接在第1开关驱动部33上，输出端的发射器(Emitter)端子连接在第1电源电压V1上，连接器端子连接在半导体开关元件TR30的门接线端上，当第1电源电压V1的相位在零度时进行接通/断开动作。

构成第2开关模块36a，36b，36c，36d的半导体开关元件TR35连接在第2电源电压V2与负荷4之间，光耦合器PC35输入端的阳极端子连接在内部动作电源Vcc上，阴极端子连接在第2开关驱动部37上，输出端的发射器端子连接在第2电源电压V2上，连接器端子连接在半导体开关元件TR35的门接线端上，当第2电源电压V2的相位在零度时进行接通/断开动作。

第1开关驱动部33具有通过由控制部50提供的第1开关控制信号实现接通/断开的晶体管Q30和电阻(R33，34)，对第1开关控制信号做出响应，驱动第1开关模块32a，32b，32c，32d。第2开关驱动部37具有通过第2开关控制信号实现接通/断开的晶体管Q35和电阻R38，R39，对第2开关控制信号做出响应，驱动第2开关模块36a，36b，36c，36d。

同时，辅助开关部110由第1辅助开关部110a与第2辅助开关部110b构成。辅助开关部110使用不发热性开关元件，比如闩锁继电器。

第1辅助开关部110a具有并联在第1开关模块32a，32b，32c，32d上的4个第1闩锁继电器模块RL10，RL20.RL30，RL40。第2辅助开关部110b具有并联在第2开关模块36a，36b，36c，36d上的4个第2闩锁继电器模块RL12，RL22，RL32，RL42。

第1及第2闩锁继电器模块RL10，RL20.RL30，RL40和RL12，RL22，RL32，RL42具有闩锁继电器与用于驱动闩锁继电器的驱动电器电路。多个闩锁继电器分别并联在相应的半导体开关元件上，对由控制部50输入的第1及第2继电器控制信号做出响应，进行接通或断开动作。

用于向负荷4提供电力的电子式开关部30与辅助开关部110的动作，按照控制部50的控制，构成如下。该切换动作由第1开关模块32a，32b，32c，32d和第2闩锁继电器模块(RL10，RL20.RL30，RL40)以第2开关模块36a，36b，36c，36d和第2闩锁继电器模块RL12，RL22，RL32，RL42以相同的方式完成。

图4及图5是说明电子式开关部30与辅助开关部110的切换动作的流程图。参考图4可知，用于向负荷4提供电力的切换动作构成如下。首先，在S100阶段，按照控制部50的控制，电子式开关部30相应的半导体开关元件被接通，向负荷4提供电力。与此联动，在S110阶段，并联在相应的半导体开关元件上的闩锁继电器被接通。因此，电力通过闩锁继电器被提供给负荷4。由于电力通过闩锁继电器被提供，半导体开关元件几乎不发热。

如果电力通过闩锁继电器被提供给负荷4，那么在S120阶段，最好使半导体开关元件断开。

使半导体开关元件与闩锁继电器以一定的时间差被接通。为此，控制部50以一定的时间差输出用于控制半导体开关元件与闩锁继电器的控制信号，但也可以同时输出。这是因为闩锁继电器的响应速度迟于半导体开关元件，因此闩锁继电器在半导体开关元件接通之后被接通，此时的时间差约为40～50msec。

参考图5可知，为了改变被提供给负荷4的电力，而断开曾经提供电力的闩锁继电器的过程如下。

首先，在S200阶段，使相应的半导体开关元件接通。接下来，在S210阶段，向保持接通状态的闩锁继电器提供逆电压，使之断开。在时隔约40～50ms后，在S220阶段重新使曾经接通的半导体开关元件断开。

如上所述，半导体开关元件及与之并联的闩锁继电器的接通/断开之所以要相隔一定的时间，就是为了当被提供给负荷4的电力之电源电压的相位为零度时，完成开关动作。

而且，在进行切换时，首先接通N相，最后接通电源，在断开时，首先断开电源，然后再断开N相。

如上所述，本发明的电子式自动切换开关100通过由恒定电源输入的电源进行开关动作，使第1电源电压V1被提供给负荷4。如若出于某种原因，恒定电源未被输入或发生了过电流，则通过由备用电源输入的电源进行开关动作，使第2电源电压V2被提供给负荷4。此时，电子式开关部30在被提供的电源电压的相位为零度时进行开关接通/断开动作，不会发生噪音或电弧放电一类的问题。而且在通电时，被提供给负荷4的电力通过相应的闩锁继电器提供，因而半导体开关元件几乎不会发热。

发明的效果

综上所述，本发明的电子式自动切换开关以电子方式在电源之间进行切换，实现了高速的电源切换。当电源电压的相位为零度时进行开关，不会发生噪音或电弧放电一类的问题。另外，在切换动作完成以后，被提供给负荷的电力通过相应的闩锁继电器被提供，从而使半导体开关元件几乎不会发热。因此无需使用散热板，不使用散热板可以制作更加小巧的开关。

如上所述，虽然本发明是以附图中注明的实施例为参考被说明的，但这仅仅是例示而己，熟悉本发明所属技术领域相关常识的人，会十分清楚可由此引伸出各种变化及均等的其它实施例。因此，本发明所提出的技术保护范围必须由附加的权利要求书来规定。

Claims

1.一种具有防过热功能的电子式自动切换开关，其特征是，包括如下几个部分：第1整流部，它接受恒定电源的输入并进行整流，输出第1电源电压V1；第2整流部，它接受备用电源的输入并进行整流，输出第2电源电压V2；内部电源发生部，它接受第1电源电压和第2电源电压的输入，产生动作电源；控制部，它感知恒定电源有无异常，当恒定电源正常时，使第1电源电压被输出到负荷，而当恒定电源异常时，则使第2电源电压被输出到负荷；电子式开关部，它接受上述控制部的控制，进行切换动作，使第1电源电压与第2电源电压中的某一个被提供给负荷，当第1及2电源电压的相位为零度时，进行开关动作；辅助开关部，它由不发热性开关元件构成，接受上述控制部的控制，与上述电子式开关部联动完成切换动作，使第1电源电压与第2电源电压中的某一个被提供给负荷，被提供给负荷的电力一开始通过电子式开关部被提供，经过一定的时间之后，通过辅助开关部被提供。

2.根据权利要求1所述的具有防过热功能的电子式自动切换开关，其特征是，上述电子式开关部由如下几个部分构成：第1开关部，连接在第1电源电压与负荷之间，按相位进行开关控制，它具有4个第1开关模块，当第1电源电压的相位为零度时进行切换动作；第1开关驱动部，它按照控制部的控制驱动第1开关模块；第2开关部，它连接在第2电源电压与负荷之间，具有4个第2开关模块，当第2电源电压的相位为零度时进行切换动作；第2开关驱动部，它按照控制部的控制驱动第2开关模块。

3.根据权利要求2所述的具有防过热功能的电子式自动切换开关，其特征是，上述辅助开关部由如下几个部分构成：第1辅助开关部，它具有4个分别并联在第1开关部的4个第1开关模块上的第1闩锁继电器模块；第2辅助开关部，它具有4个分别并联在第2开关部的4个第2开关模块上的第2闩锁继电器模块。

4.根据权利要求1所述的具有防过热功能的电子式自动切换开关，其特征是：上述辅助开关部在接通动作中，以一定的时间差迟于电子式开关部接通；在断开动作中，以一定的时间差先于电子式开关部断开。