CN204179742U - 一种交直流无延时切换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及供电设备技术领域，公开了一种交直流无延时切换装置，包括交流输入端、直流输入端、总输出端和测量控制单元。直流输入端的正、负输入端分别通过一个单向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接；交流输入端的第一输入端、第二输入端分别通过一个双向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接。测量控制单元根据交直流即时电压判断切换时间，控可控硅导通与断开完成切换。本实用新型采用了无切换时间的静态切换技术，避免了物理切换时的瞬间断电间隙和物理触点拉弧现象；所述技术方案采用了少量的电子元器件，简化了电路结构，降低了故障率，提高了系统的可靠性。

Description

一种交直流无延时切换装置

技术领域

本实用新型属于供电设备技术领域，涉及双路供电系统的切换技术，具体是交流供电和高压直流供电之间无延时静态的切换技术。

背景技术

随着高压直流（HVDC）供电系统的普及与应用，直流供电应用在各个领域。虽然高压直流供电具有很高的可靠性，但是在蓄电池电力即将耗尽时或直流供电设备检修时，在有其他后备交流电源存在的情况，需要将直流供电切换至后备交流供电。在高压直流恢复供电或检修完成时，又需将后备交流供电切换至高压直流供电。对于核心而敏感的用电设备而言，高压直流与交流之间的切换必须是无切换时间，而且具有很高的可靠性要求。

现有技术中为解决高压直流和交流之间的切换，通常利用继电器来实现切换，虽然利用继电器成本低、电路简单容易实现，但带有物理触点的继电器是线圈通电与断电来控制物理触点的吸合和分断的，响应速度有限，通常都超过10毫秒，无法满足无切换时间的要求。同时现有的普通继电器应用于直流通断时，其分断能力大大降低，容易产生拉弧现象，而且分断电压大大降低，通常低于100V以下。所以普通继电器无法应用在高压直流（DC200V~DC290V）的大功率切换。

发明内容

本实用新型目的在于针对现有技术的空缺和不足，本实用新型提出如何解决高压直流与交流供电之间的切换，同时要满足高可靠性和无切换时间的要求的解决方案。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种交直流无延时切换装置，包括：直流输入端、交流输入端、总输出端、检测控制单元。直流输入端的正、负输入端分别通过一个单向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接。交流输入端的第一输入端、第二输入端分别通过一个双向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接。

检测控制单元包括交流电压检测电路、直流电压检测电路、切换控制电路、以及控制器。所述交流电压检测电路的输入端接交流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测交流实时电压并将信号传输给控制器。直流电压检测电路的输入端接直流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测直流实时电压并将信号传输给控制器。控制器信号输出接口接切换控制电路，切换控制电路六个控制信号输出端分别接交流线路中两个双向可控硅的四个控制极和直流线路中两个单向可控硅的两个控制极。

上述装置在使用时，当需要直流切换交流，控制器首先输出信号到切换控制电路，撤销直流供电线路中的两个单向可控硅控制极电压；然后，在交流输入端电压上升转正之后，下降至与直流输入端电压相等之前，输出信号到切换控制电路，加载交流供电线路中的两个双向可控硅正向导通控制极电压；在交流输入端电压上升至与直流输入端电压相等之后，转负之前，且双向可控硅正向导通控制极电压加载之后，输出信号到切换控制电路，加载交流供电线路中的两个双向可控硅反向导通控制极电压的指令；当需要交流切换直流，控制器在交流输入端电压转正之后，转负之前，输出信号到切换控制电路，撤销交流供电线路中的两个双向可控硅正向导通控制极电压和反向导通控制极电压；在双向可控硅反向导通控制极电压撤销后，交流输入端电压转负之前，输出信号到切换控制电路，加载直流供电线路中的两个单向可控硅控制极电压的指令。

本实用新型利用可控硅接通或断开供电线路，在实现无延时的同时，又充分保证了切换系统的高安全可靠性。

在本实用新型上述装置中，每个所述双向可控硅可以由一对单向可控硅代替，一对中的两个单向可控硅相互并联且连接方向相反；即，一对中的一个单向可控硅阳极接交流电源输入端，阴极接系统输出端，另一个单向可控硅阴极接交流电源输入端，阳极接系统输出端。

由一对单向可控硅代替双向可控制硅后，前述装置演变为：

一种交直流无延时切换装置，包括：直流输入端、交流输入端、总输出端、检测控制单元；

直流输入端的正、负输入端分别通过一个单向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接。交流输入端的第一输入端通过一对反向并联的单向可控硅连接到总输出端的第一输出端，交流输入端的第二输入端通过另一对反向并联的单向可控硅连接到总输出端的第二输出端。

检测控制单元包括交流电压检测电路、直流电压检测电路、切换控制电路、以及控制器。所述交流电压检测电路的输入端接交流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测交流实时电压并将信号传输给控制器。直流电压检测电路的输入端接直流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测直流实时电压并将信号传输给控制器。控制器信号输出接口接切换控制电路，切换控制电路六个控制信号输出端分别接交流线路中四个单向可控硅和直流线路中两个单向可控硅的六个控制极。

在本实用新型的装置中，所述双向可控硅和单向可控硅的选择必须大于系统供电的负荷电流，其断态峰值耐压必须大于系统供电的峰值电压。

所述交流电压检测电路和直流电压检测电路共地连接。为确保电压检测的实时性，同时也不影响交流供电和直流供电的安全性，直流电压检测需要隔离检测。

所述切换控制电路包括用于可控硅控制的隔离电源和信号处理电路，其中信号处理电路与交流电源和直流电源之间为电气隔离。由于可控硅的阴极与控制电源的负极相连，而交直流电源的通断控制是两极同时通断的，所以两极的可控硅的控制电源必须是隔离的。同时交直流输入端的可控硅之间的控制电源也必须是相对隔离的。具体地说，交流线路中的两个双向可控硅的控制电源相互电气隔离；同时交流线路中的可控硅控制电源与直流线路中的可控硅控制电源相互电气隔离。

本实用新型所述装置尤其适用于AC100V~AC220V交流电源和DC200V~DC290V直流电源之间的切换。

本实用新型中，交流输入端电压是指：交流输入端中与直流正输入端接到同一总输出端的输入端相对于另一输入端的电压。正向导通是指：电流从与直流正输入端接到同一总输出端的交流输入端经负载至另一交流输入端的导通。此时，交流输入端电压处在正半周。

附图说明

图1 可控硅的原理图。

图2 为本实用新型一个优选实施例的电路结构示意图。

图3 为直流切换至交流过程的电压变化示意图。

图4为交流切换至直流过程的电压变化示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，以举例的方式对本实用新型优选方案进行进一步详细说明。

为能更好地理解本实用新型的系统工作原理，首先结合附图1详细的描述可控硅的工作原理和特性。可控硅是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件，不仅用于整流，还可以用于无触点开关以快速接通或切断电路。可控硅具有以下特性：（1）控制极（G1）无电压时，可控硅双向成为断态（电阻很大）；（2）控制极（G1）加正向控制电压（触发电流约100mA）时，可控硅变为通态；（3）通态时电流只要大于触发电流，即可维持可控硅通态；（4）通态时，可控硅具有二极管特性，即反向截止。可控硅分为单向可控硅和双向可控硅两种，都是三个电极。单向可控硅有阴极（K）、阳极（A）、控制极（G）。双向可控硅等效于两只单项可控硅反向并联而成。

附图2所示中，基本完整了描述了装置应有的特征，为本实用新型的一种优选实施例。本实施例中包括了交流输入、直流输入、交直流电压检测、用于交直流切换的可控硅、切换控制电路和测量控制用MCU。交流输入电压检测包括串联在两上交流输入端之间的分压电阻R1和分压电阻R2，R2的分压信号连接到电压信号处理部分的交流电压信号的输入端，通过电压跟随电路，将R2的电压信号送至测量MCU，将交流电压的模拟信号转换成数字信号。直流输入电压检测包括串联在正输入端和负输入端之间的分压电阻R3和分压电阻R4，R4分压信号连接到电压信号处理部分的直流电压信号输入端，通过线性光电隔离电路，将直流电压模拟信号送至测量控制MCU计算处理，计算出实时的直流电压。交流切换可控硅包括两个双向可控硅SR1和SR2，可控硅SR1控制交流的火（L）线的通断，可控硅SR2控制交流的零（N）线的通断。直流切换可控硅包括两个单向可控硅SR3和SR4，可控硅SR3的阳极（A）与直流正（P）极的输入端相连接，SR3的阴极（K）与直流正（P）极的输出端相连接，用于控制直流正（P）极的通断。可控硅SR4的连接与可控硅SR3的连接方法相反，SR4的阴（K）极与直流负（N）极的输入端相连接，SR4的阳（A）极与直流负（N）极的输出端相连接，用于控制直流负（N）极的通断。可控硅的控制（G）极与控制电源之间串有一限流电阻，限制可控硅的开启电流。双向可控硅SR1的两个控制（G）极分别与限流电阻R5和限流电阻R6相连接，限流电阻R5和R6再分别与隔离电源DC1和DC2输出端的正（+）极相连接，隔离电源DC1和DC2输出端的负（-）极与交流火（L）线相连接。双向可控硅SR2的两个控制（G）极分别与限流电阻R7和限流电阻R8相连接，限流电阻R7和R8再与隔离电源DC3和DC4的输出端的正（+）相连接，隔离电源DC3和DC4输出端的负（-）极与交流零（N）线相连接。单向可控硅SR3的控制（G）与限流电阻R9相连接，经过R9再与隔离电源DC5输出端的正（+）极相连接，隔离电源DC5输出端的负（-）极与SR3的阴（K）极相连接。单相可控硅SR4的控制（G）极与限流电阻R10相连接，经过R10再与隔离电源DC6输出端的正（+）极相连接，隔离电源DC6输出端的负（-）极与SR4的阴（K）极相连接。实施例中的隔离电源与控制信号处理部分包括多个（6或4）隔离电源和MCU控制信号与隔离电源的电气隔离器件。由于交流火（L）线和直流正（+）极的输出短相连，等效于将隔离电源DC2和隔离电源DC5的电源共地，所以隔离电源DC2和隔离电源DC5可用同一个隔离电源，同样交流零（N）线和直流负（-）极的输出端相连，等效于将隔离电源DC4和隔离电源DC6共地，所以可以用同一个隔离电源，以减少成本。MCU控制信号与隔离电源的电气隔离器件可选用光耦隔离或继电器隔离，本实用新型的实施例中采用光耦隔离。

以上所述了本实用新型的实施例中的系统组成和技术特征，下面再结合附图详细描述装置的工作原理和技术要点。

附图3所示是直流电源切换至交流电源的过程。首先装置工作于直流供电，直流电源回路中的单相可控硅处于通态。由于某种需要切换至交流供电，装置在接收到直流供电切换至交流供电的指令，装置只需将关断直流电源的可控硅的控制（G）极电压，开启交流电源的可控硅控制（G）极电压。但是可控硅有一个特性就是在有负载电流的情况下，即使关断可控硅控制（G）极电压，也不能分断可控硅。但是另一个特性为可控硅的阴（K）极电压高于阳（A）极电压，即可分断可控硅。本实用新型就是利用可控硅这两个特性实现无延时的静态切换的。

根据可控硅的特性分析可得知，在时间t0~t2之间任一时刻t1时关断直流电路回路中可控硅SR3和SR4的控制电压DC5和DC6，同时开启交流回路中可控硅SR1和SR2的正向控制电压DC2和DC3，在时间t2~t4之间任一时刻t3开启交流回路中双向可控硅SR1和SR2的反向控制电压DC1和DC4，使之为双向导通的通态。在时间t0~t4之间，交流电压处于正弦波变化正半周期阶段，当在t2时刻交流电压值大于直流电压值，真正关断了直流回路中单向可控硅SR3。由于直流回路中没有了电流，无法维持直流回路中负（-）极的单向可控硅SR4的通态，成为断态。至此完成了直流供电切换至交流供电的过程。

附图4所示是交流电源切换至直流电源的过程。首先装置工作于交流供电，可控硅SR1和SR2处于通态，可控硅SR3和SR4处于断态。在装置接收到要切换至直流供电的指令，通过分析可控硅的特性，可知在时间t1~t3之间的任一时刻关断交流回路中可控硅SR1和SR2的控制电压DC1~DC4，同时开启直流回路中可控硅SR3和SR4的控制电压DC5和DC6。由于此时交流电压处于正弦变化正半周期，交流电压大于直流电压。在t2时刻同时关断控制电压DC1~DC4，双向可控硅的反向部分立即变为断态，但正向部分仍为通态，有工作电流，为负载供电。随着时间推移至t3时刻以后，交流回路中双向可控硅SR1和SR2的正向部分的阴（K）极电压为直流电压，高于阳（A）极电压，正向部分被关断。直流电源随即为负载提供电力，至此完成了交流电源切换至直流电源的过程。

虽然以上结合本实用新型实施例对本装置技术方案进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本实用新型所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本实用新型精神和范围的情况下，不付出创造性劳动而对本实用新型的技术方案作出各种修改、增加、以及替换所获得的方案。都应属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种交直流无延时切换装置，包括直流输入端、交流输入端、总输出端、检测控制单元；直流输入端的正、负输入端分别通过一个单向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接；交流输入端的第一输入端、第二输入端分别通过一个双向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接；

检测控制单元包括交流电压检测电路、直流电压检测电路、切换控制电路、以及控制器；

所述交流电压检测电路的输入端接交流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测交流实时电压并将信号传输给控制器；直流电压检测电路的输入端接直流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测直流实时电压并将信号传输给控制器；控制器信号输出接口接切换控制电路，切换控制电路六个控制信号输出端分别接交流线路中两个双向可控硅的四个控制极和直流线路中两个单向可控硅的两个控制极。

2.根据权利要求1所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，该装置用于AC100V~AC220V交流电源和DC200V~DC290V直流电源之间的切换。

3.根据权利要求1所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，所述交流电压检测电路和直流电压检测电路共地连接；直流电压检测采用隔离检测的方式。

4.根据权利要求1所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，切换控制电路包括用于可控硅控制的隔离电源和信号处理电路，其中信号处理电路与交流电源和直流电源之间电气隔离。

5.根据权利要求4所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，交流线路中的两个双向可控硅的控制电源相互电气隔离；同时交流线路中的可控硅控制电源与直流线路中的可控硅控制电源相互电气隔离。

6.一种交直流无延时切换装置，包括直流输入端、交流输入端、总输出端、检测控制单元；直流输入端的正、负输入端分别通过一个单向可控硅与总输出端的第一输出端和第二输出端连接；交流输入端的第一输入端通过一对反向并联的单向可控硅连接到总输出端的第一输出端，交流输入端的第二输入端通过另一对反向并联的单向可控硅连接到总输出端的第二输出端；

检测控制单元包括交流电压检测电路、直流电压检测电路、切换控制电路、以及控制器；

所述交流电压检测电路的输入端接交流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测交流实时电压并将信号传输给控制器；直流电压检测电路的输入端接直流输入端，输出端接控制器的信号输入接口，用于检测测直流实时电压并将信号传输给控制器；控制器信号输出接口接切换控制电路，切换控制电路六个控制信号输出端分别接交流线路中四个单向可控硅和直流线路中两个单向可控硅的六个控制极。

7.根据权利要求6所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，所述交流电压检测电路和直流电压检测电路共地连接；直流电压检测采用隔离检测的方式。

8.根据权利要求6所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，切换控制电路包括用于可控硅控制的隔离电源和信号处理电路，其中信号处理电路与交流电源和直流电源之间电气隔离。

9.根据权利要求8所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，交流线路中的两个双向可控硅的控制电源相互电气隔离；同时交流线路中的可控硅控制电源与直流线路中的可控硅控制电源相互电气隔离。

10.根据权利要求6所述的交直流无延时切换装置，其特征在于，该装置用于AC100V~AC220V交流电源和DC200V~DC290V直流电源之间的切换。