DE10315982A1

DE10315982A1 - Hybrides elektromagnetische Gleichstromschütz

Info

Publication number: DE10315982A1
Application number: DE10315982A
Authority: DE
Inventors: Yong Ho Chung
Original assignee: LG Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP2003338239A; CN1280856C; DE10315982B4; US20030193770A1; CN1452194A; KR20030081745A; KR100434153B1; JP3872444B2; US7079363B2

Abstract

In einem hybriden elektromagnetischen Gleichstromschütz ist es möglich, durch Einschließen einer Leistungseinheit zum Zuführen einer bestimmten Leistungsspannung, einem Hauptkontaktpunkt für einen Unterbrecherschalter zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung durch geschaltet sein in Übereinstimmung mit einer Spannungsanlegung an eine Betriebsspule, einen Schalter zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung gemäß einem Gate-Signal, einer Dämpfungsschaltung zum Laden von Spannung an beiden Enden des Schalters beim Ausschalten des Schalters und zum Zufuhr-Entladen eines elektrischen Stroms, wenn die geladene Spannung nicht weniger als eine bestimmte Spannung ist, und einen Entladestrom-Entferneinheit zum Entfernen des Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs zu einem Lastblock beim Ausschalten des Schalters, eine Größe des Leckstroms zu minimieren, wenn der Hauptkontaktpunkt und der Halbleiterschalter ausgeschaltet werden, und welches demzufolge praktisch verwendet werden kann.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hybrides elektromagnetisches Gleichstromschütz bzw. -schalter, und insbesondere auf ein hybrides elektromagnetisches Gleichstromschütz, welches in der Lage ist, ein Auftreten eines Lichtbogens beim Öffnen/Schließen eines Hybrid-strukturierten Schützes zu verhindern und einen Leckstrom durch Verbinden eines Halbleiterschalters parallel mit einem mechanischen Kontaktschalter zu minimieren.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Allgemein wird ein elektromagnetisches Schütz bzw. Schalter oder ein elektromagnetischer Schalter zum elektrischen Verbinden/Abschalten von Leistung und Last verwendet.

Das Schütz verbindet/schaltet ab zwei getrennt fest installierte Elektroden durch eine sich bewegende Elektrode, wobei Leistung eines Elektromagneten beim Verbinden verwendet wird und Leistung einer Feder beim Abschalten (Trennen) verwendet wird. Dabei kann, wenn der Schalter offen ist und ein Strom in die Elektrode fließt, da ein Lichtbogen an einem Kontaktpunkt aufgrund der in einem Streuinduktanzelement einer Leitung oder einer Last oder einer Leistungsseite gespeicherten Energie an einem Kontaktpunkt erzeugt wird, der Kontaktpunkt beschädigt werden.

Demgemäss ist ein bestimmtes Material und eine Form für den Kontaktpunkt des Schützes erforderlich, um das Auftreten des Lichtbogens aufzuhalten. Und es ist am oberen Ende des Kontaktpunkts des Schützes ein Lichtbogen- Auslöschabschnitt erforderlich, welcher eine bestimmte Form aufweist, um den Lichtbogen unmittelbar und sicher auszulöschen.

Um das Problem des mechanischen elektromagnetischen Schützes zu überwinden, wurde ein SSR (Festkörper-Relais) oder ein SSC (Festkörper-Schütz) vorgestellt und teilweise verwendet, welches mechanische Kontaktpunkte eines elektromagnetischen Wechselstromschalters durch Halbleiterschalter ersetzt. Da jedoch eine Menge Wärme bei einer Stromführung erzeugt wird aufgrund des Spannungsabfalls an beiden Enden des Halbleiterschalters, ist ein zusätzlicher Kühlkörper oder ein Kühlventilator erforderlich, und demgemäss wurde dies nur für bestimmte Zwecke verwendet.

Zusätzlich ist es auch möglich, ein elektromagnetisches Gleichstromschütz durch eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung zu ersetzen, welche eine gestärkte Auslöschfunktion aufweist, jedoch wurde hauptsächlich noch ein mechanisches elektromagnetisches Gleichstromschütz verwendet.

Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Gestaltung eines herkömmlichen Wechselstrom-Hybrid-Unterbrecherschalters darstellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird eine Wechselstromleistung 1 verbunden mit/getrennt von einer Last 7 durch einen mechanischen Hauptkontaktpunkt 5. In einem allgemeinen elektromagnetischen Wechselstromschalter ist ein Subkontaktpunkt 4 als eine Basiseinheit installiert.

Jedoch ist in einem herkömmlichen Wechselstromhybridschalter der Hauptkontaktpunkt 5 mit einem Triac 2 parallel verbunden als ein Zweiweg- Halbleiterschalter, ein Widerstand 3 ist zwischen einem Gate-Anschluss G und einem Anodenanschluss A des Triac 2 verbunden und der Subkontaktpunkt 4 des Schalters ist zwischen dem Gate-Anschluss G und einem Kathodenanschluss K des Triac 2 verbunden.

Der Grundbetrieb eines herkömmlichen Wechselstrom-Hybrid- Unterbrecherschalters wird durch Zustandsänderungen (offener oder geschlossener Zustand) des Hauptkontaktpunktes 5 des Schalters beschrieben werden.

In dem Unterbrecherschalter ist, wenn der Hauptkontaktpunkt 5 offen ist, der Subkontaktpunkt 4 geschlossen, das Gate G des Triac 2 ist von der Kathode K kurzgeschlossen, der Triac 2 behält einen Aus-Zustand bei. Dabei fließt ein sehr geringer Strom (einige zehntel bis einige hundertstel mA) zwischen der Wechselstromleistung 1 und der Last 7 durch den Widerstand 3.

Um den Schalter einzuschalten, werden, wenn eine Spannung an eine Spule 6 angelegt ist, der Hauptkontaktpunkt 5 und der Subkontaktpunkt 4 bewegt, zuerst ist der Subkontaktpunkt 4 offen, bevor der Hauptkontaktpunkt 5 geschlossen ist, ein Operationssignal wird zwischen das Gate G und die Kathode K des Triac 2 angelegt, und demgemäss fließt ein Strom von einigen Zehnteln bis einigen Hundertsteln in den Gate-Anschluss G des Triac 2.

Dabei wird er, da der Triac 2 unberücksichtigt der Polarität eines Gate-Stroms arbeitet, nur angeschaltet, wenn ein ausreichender Gate-Strom in den Triac 2 fließt, die Wechselstromleistung 1 und die Last 7 mit dem Triac 2 verbunden sind und entsprechend ein Strom an der Last in dem Triac 2 fließt.

Wenn der Hauptkontaktpunkt 5, nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist, geschlossen wird, tritt eine Prellerscheinung aufgrund mechanischer Charakteristika auf, ein Strom fließt am Gate G des Triac 2 beim Öffnen des Hauptkontaktpunkts 5 und demgemäss wird kein Lichtbogen am mechanischen Kontaktpunkt erzeugt.

Wenn der mechanische Kontaktpunkt vollständig geschlossen ist, erreichen die beiden Endspannungen des Triac 2 beinahe 0, eine Minimumspannung (im Allgemeinen einige Volt), welche zum Anschalten des Triac 2 erforderlich ist, ist nicht gesichert und entsprechend wird der Triac 2 ausgeschaltet.

Darauffolgend wird, wenn die an der Spule 6 angelegte Spannung weggenommen wird, um den Schalter auszuschalten, der bewegliche Elektrodenteil des Hauptkontaktpunkts S und der Subkontaktpunkt 4 bewegt und der Hauptkontaktpunkt 5 ist zuerst offen.

Beim Öffnen des Hauptkontaktpunktes 5 fließt der Strom wieder an das Gate G des Triac 2, der Triac 2 wird eingeschaltet und der Laststrom fließt. Dabei wird eine Lichtbogenerzeugung unterdrückt, da ein Spannungsabfall an beiden Enden des Triac 2 nicht größer ist als einige Volt.

Nachdem einige Zeit vergangen ist, wenn der Subkontaktpunkt 4 geschlossen ist, sind das Gate G und die Kathode K des Triac 2 kurzgeschlossen, der Strom, der am Gate G fließt ist 0, eine Polarität des am Triac 2 fließenden Stroms ist geändert und der Laststrom fließt kontinuierlich durch den Triac 2, bis der Triac 2 ausgeschaltet wird.

Jedoch kann der Hybridschalter in Fig. 1 nur angewandt werden, wenn die Leistung Wechselstrom ist, falls die Leistung Gleichstrom ist, muss, da kein Verfahren zum Auslöschen des Triac 2 als eine Halbleiterschaltervorrichtung besteht, eine Halbleiter-Leistungsschaltungsvorrichtung, welche eine gestärkte Auslöschfunktion aufweist, wie etwa ein IGBT (isolierter Gate-Bipolar-Transistor), ein MOS-FET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) und ein BJT (bipolarer Verbindungstransistor) verwendet werden.

Im Folgenden wird ein Gleistromhybridschütz, welches den IGBT verwendet, beschrieben werden.

Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Gestaltung des herkömmlichen Gleichstromhybridschützes darstellt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird eine Gleichstromleistung 13 verbunden mit/getrennt von einer Last 12 durch einen mechanischen Hauptkontaktpunkt 14.

Eine Halbleiterschaltereinheit 11 ist mit dem Hauptkontaktpunkt 14 parallel verbunden und das Ende einer Diode D_f ist mit der Last 12 und einem - Anschluss der Gleichstromleistung verbunden.

Die Halbleiterschaltereinheit 11 schließt einen IGBT-Schalter Q_A, eine Freilaufdiode D_f, eine Dämpferdiode D_S1, einen Dämpferkondensator C_S1 und einen Dämpferwiderstand R_S1 ein.

Der Betrieb des herkömmlichen Gleichstromhybridschützes ist ähnlich zu dem des Wechselstromhybridschützes in Fig. 1.

Wenn der offene Zustand des Hauptkontaktpunktes 14 zum geschlossenen Zustand verändert wird, tritt ein Lichtbogen auf aufgrund einer kleinen Prellerscheinung, die durch mechanische Charakteristika erzeugt wird. Jedoch ist es, da eine Größe des Lichtbogens klein ist, möglich, den IGBT-Schalter Q_A in dem Bereich auszuschalten, und demgemäss wird nur eine Änderung des geschlossenen Zustands des Hauptkontaktpunktes 14 in den offenen Zustand beschrieben werden. Dabei tritt beim Steuern des IGBT-Schalters Q_A, falls die Last ein Kondensator ist, eine Menge an Spitzenstrom beim Anschalten des Schalters auf, in dem Fall ist ein Stromwert, der an der IGBT-Schaltungsanordnung fließt, zu groß, Herstellungskosten können steigen.

Zuerst werden im öffnenden Zustand des Hauptkontaktpunkts 14, da der IGBT- Schalter Q_A ausgeschaltet ist, die Gleichstromleistung 13 und die Last 12 miteinander durch die Dämpfungsschaltungen D_S1, C_S1, R_S1 verbunden. Demgemäss wird, um das Schütz anzuschalten, eine Spannung an eine Spule 19 angelegt, wobei der IGBT-Schalter Q_A den angelegten Ausschaltsignalzustand beibehält.

Um den eingeschalteten Schalter auszuschalten, wird zuerst der Halbleiterschalter Q_A, der mit dem mechanischen Schütz parallel verbunden ist, eingeschaltet, die an der Spule 19 angelegte Spannung wird weggenommen, der durch den Hauptkontaktpunkt 14 fließende Strom fließt durch den Halbleiterschalter Q_A, die Spannung an beiden Enden des angeschalteten Halbleiterschalters Q_A ist 2 V ~ 3 V und der Hauptkontaktpunkt 14 kann ohne jeglichen Lichtbogen öffnen. Nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist, wenn das am Gate G des Halbleiterschalters Q_A angelegte Betriebssignal weggenommen ist, fließt der durch die Last 12 fließende Strom durch die Diode D_f und den Widerstand R_S1 und wird gestoppt. Danach wird die in einer Streuinduktivität Lw der Gleichspannungsleistungsseite gespeicherte Energie in dem Kondensator C_S1 absorbiert, der durch den Halbleiterschalter Q_A fließende Strom wird gestoppt und demgemäss ist der Ausschaltvorgang des Schützes beendet.

In dem herkömmlichen Hybridschütz gibt es ein Problem, wenn sowohl der Halbleiterschalter Q_A und der Hauptkontaktpunkt ausgeschaltet sind. Detaillierter behält in diesem Zustand der Kondensator C_S1 einen aufgeladenen Zustand mit einer Spannung, die beinahe gleich der Spannung der Gleichstromleistung 13 ist oder den ausgeschalteten Zustand bei, bis dort keine Spannungsänderung (insbesondere Spannungsanstieg) der Gleichstromleistung 13 auftritt.

Jedoch wird eigentlich der Kondensator C_S1 aufgrund des Dämpferentladewiderstandes Rs geladen, wenn die Spannung an beiden Enden des Kondensators Cst kleiner ist als die Spannung der Gleichstromleistung 13, der Strom fließt von der Gleichstromleistung 13 zu der Last durch die Diode D_S1, den Kondensator C_S1 und den Widerstand R_S1. Dabei fließt, wenn der Wert des Widerstands R_S1 klein ist, ein großer Strom, wenn der Wert des Widerstands R_S1 groß ist, fließt ein kleiner Strom. Falls die Einschatt-/Ausschaltvorgänge nicht oft durchgeführt werden, ist es möglich, einen Leckstromwert durch ausreichendes Erhöhen eines Widerstandswerts R_S1 zu verringern.

Da jedoch die Dämpfungsschaltung zur Unterdrückung einer Spitzenspannung an beiden Enden des Schalters beim Ausschalten des Halbleiterschalters Q_A dient, kann der Widerstand R_S1 nicht so sehr erhöht werden. Demgemäss gibt es keine Möglichkeit, die Leckstromerscheinung zu verhindern. Um den Leckstrom zu entfernen, kann ein zusätzlicher Schalter zum Stoppen einer Entladung des Kondensators C_S1 installiert werden.

Jedoch gibt es, obwohl der zusätzliche Schalter installiert ist, wenn eine Größe der Leistungsspannung 13 gemäß einer verstrichenen Zeit geändert wird, keine Möglichkeit, den Leckstrom grundlegend zu verhindern. Falls die Gleichstromleistung eine Speicherbatterie ist, wird die Gleichstrombatterie kontinuierlich aufgrund des Leckstroms entladen. Wenn eine Spannung der Gleichstromleistung 13 nicht weniger als 100 V ist, besteht das Risiko eines elektrischen Stromschlagunfalls am Lastblock aufgrund des Leckstroms.

Falls zusätzlich in der herkömmlichen Technik eine Polarität der mit dem Schalter verbundenen Leistung geändert wird oder die Verbindung zwischen der Leistungsseite und der Lastseite geändert wird, kann der Betrieb des Schalters überhaupt nicht durchgeführt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dämpferschaltung zum Schutz einer Halbleiterschaltungsvorrichtung eines herkömmlichen Gleichstromhybridschützes effizient durch große Verringerung einer Größe eines Leckstroms (1 ~ 2 µA Pegel) zu verwenden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstromhybridschütz vorzusehen, welches normal arbeitet, wenn eine Verbindung zwischen einem Leistungsblock und einem Lastblock geändert wird oder eine Stromflussrichtung geändert wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstromhybrid-elektromagnetisches Schütz vorzusehen, welches in der Lage ist, normal betrieben zu werden, wenn eine Polarität einer mit einem Gleichstromhybridschütz verbundenen Leistung geändert wird oder eine Wechselstromleistung angelegt wird.

Um die oben genannten Aufgaben zu erreichen, schließt ein elektromagnetisches Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein: eine Leistungseinheit zur Zufuhr einer bestimmten Leistungsspannung; einen Hauptkontaktpunkt eines Unterbrecherschalters zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung, indem er geschaltet wird in Übereinstimmung mit einer Spannungsanlegung an eine Betriebsspule; einen Schalter zum Vorsehen eines Zufuhrwegs von Leistungsspannung gemäß einem Gate-Signal; eine Dämpferschaltung zur Änderung von Spannung an beiden Enden des Schalters beim Ausschalten des Schalters und welche angelegt einen elektrischen Strom entladend ist, wenn die geladene Spannung nicht weniger als eine bestimmte Spannung ist; eine Entladestrom-Entferneinheit zum Entfernen des Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs zu einem Lastblock beim Ausschalten des Schalters.

Andere Aufgaben, Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden detailliert durch folgende Ausführungsformen beschrieben werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die begleitenden Zeichnungen, welche eingefügt sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung vorzusehen, und welche enthalten sind in und Teil bilden von dieser Beschreibung, stellen Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung, um die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konstruktion eines herkömmlichen Wechselstromhybridschalters darstellt;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konstruktion eines herkömmlichen Gleichstromhybridschützes darstellt;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konstruktion eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4A-4H Wellendiagramme, welche Operationen des Gleichstromhybridschützes in Fig. 3 zeigen;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm, welches eine weitere Ausführungsform eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 7A und 7B Schaltungsdiagramme, welche weitere Ausführungsformen eines Zweiwege-Halbleiterschalters für die Gleichstromhybridschütze in den Fig. 5 und 6 zeigen; und
Fig. 8 eine beispielhafte Ansicht, welche eine Halbleiterschaltereinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt, installiert am herkömmlichen Gleichstromhybridschütz.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Im Folgenden wird die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konstruktion eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in Fig. 3 bezeichnet, schließt das Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein: eine Leistungseinheit 20 zum Zuführen einer bestimmten Leistungsspannung; einen Hauptkontaktpunkt 24 zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung durch ein Schalten gemäß der Spannungsanlegung an eine Betriebsspule 26; einen ersten Halbleiterschalter 25 zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung gemäß einem Gate-Signal; eine Dämpfungsschaltung 21A zum Ändern der Spannung der beiden Enden des ersten Halbleiterschalters 25 beim Ausschalten des ersten Halbleiterschalters 25, welcher Strom zugeführt und entladen wird, wenn die geladene Spannung nicht weniger als eine bestimmte Spannung ist; und eine Entladestromentferneinheit 21B zum Entfernen des Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs zu einem Lastblock 22 beim Einschalten des Schalters 25.
Der Betrieb des Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf die begleitenden Fig. 4A-4H beschrieben werden, welche Betriebswellenformen davon zeigen.
Zuerst ist der Hauptkontaktpunkt 24 zwischen dem Lastblock 22 und der Gleichstromleistung 23 verbunden, und der Hauptkontaktpunkt 24 ist mit dem ersten Haupthalbleiterschalter 25 parallel verbunden. Zusätzlich ist ein Überspannungsverhinderungsdämpfer, an welchem eine erste Diode Ds und ein Kondensator Cs in Serie verbunden sind, entlang des Leistungsblocks 20 ausgebildet, ein Verbindungspunkt des ersten Halbleiterschalters 25 und ein - Anschluss der Leistungseinheit 20. Schaltungen R1, R2, R3, Dz, Qs sind mit den beiden Enden des Kondensators Cs verbunden, um Elektrizität automatisch durch den zweiten Halbleiterschalter 27 und den Widerstand Rs zu entladen, wenn eine Spannung des Kondensators Cs einen Bezugswert übersteigt. Eine Entladestromentferneinheit 21B, bestehend aus einer Diode Df und einem Widerstand Rf, ist mit beiden Enden des Lastanschlusses 22 verbunden, um einen Ladestrom IRo umzuleiten, wenn der erste Halbleiterschalter 25 ausgeschaltet ist.
Im hybriden Gleichstrom elektromagnetischen Schütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist zu einem Zeitpunkt von t = t0, wenn eine Spannungswellenform, gezeigt in Fig. 4A, an die Betriebsspule 26 angelegt ist, nachdem eine bestimmte Zeit t0 verstrichen ist, der Hauptkontaktpunkt 24 verbunden. Dabei wird ein Ausschaltsignal am ersten Halbleiterschalter 25 beibehalten, wie in Fig. 4C dargestellt.
In einer in Fig. 4D gezeigten Spannungswellenform nimmt der durch den Hauptkontaktpunkt 24 zum Zeitpunkt von t = t1 fließende Strom mit einer bestimmten Neigung zu und behält einen Stromwert bei, der durch einen Lastwiderstand und eine Gleichspannung bestimmt ist.
Zu einem Zeitpunkt von t = t2, gezeigt in Fig. 4A, wenn die angelegte Spannung der Betriebsspule 26 entfernt wird, wird der Hauptkontaktpunkt 24, nachdem eine bestimmte Zeit (t1) vergangen ist, geöffnet.
Zusätzlich wird zu einem Zeitpunkt von t = t2, gezeigt in Fig. 4C, ein Einschaltsignal an den ersten Halbleiterschalter 25 angelegt.
Zu einem Zeitpunkt von t = t3, wenn der Hauptkontaktpunkt 24 tatsächlich offen ist, wird der durch den Hauptkontaktpunkt 24 fließende Strom gestoppt, wie in Fig. 4D gezeigt, und der Ladungsstrom fließt am ersten Halbleiterschalter 25, wie in Fig. 4F gezeigt. Dabei ist es möglich, eine Länge einer Stromflusszeit (t3) durch den ersten Halbleiterschalter 25 extern zu steuern und es ist auch möglich, eine Länge einer Zeit (t3) so festzulegen, dass sie gleich mit 1/3 ~ 2/1 einer Zeit (t1) ist, erhalten durch Öffnen des Hauptkontaktpunkts 24.
Zu einem Zeitpunkt von t = t4, wenn der erste Halbleiterschalter 25 ausgeschaltet ist, fließt der durch die Streuinduktivität Lw fließende Strom kontinuierlich zu der Dämpferschaltung, welche aus dem Kondensator Cs besteht. Dabei ist der durch die Streuinduktivität Lw und den Kondensator Cs fließende Strom ein Resonanzstrom, die Spannung an den beiden Enden des Kondensators Cs erhöht sich von einem frühen Wert (VCs), gezeigt in Fig. 4H, und erreicht einen Spannungspegel, der durch den Widerstand R1, R2 und eine Zenerdiode Dz bestimmt wird, er wird nahe dem ersten Wert VCs entladen durch den zweiten Halbleiterschalter 27 und den Widerstand Rs.
Falls ein End-Entladewert so festgesetzt ist, dass er niedriger ist als eine Spannung der Gleichstromleistung 23, da der Kondensator Cs automatisch aufgeladen wird auf eine Größe der Gleichstromleistung 23 nachdem die Entladung beendet ist, ist es möglich, immer die gleiche Klemmenspannung beizubehalten.
In der Zwischenzeit fließt der Strom am Lastanschluss 22 durch den Widerstand Rf und die Diode Df, wie in Fig. 4F dargestellt, in der Induktivität Lo gespeicherte Energie wird durch den Widerstand Ro, Rf verbraucht zu einem Zeitpunkt von t = t4, und letztlich ist der Strom 0.
In einer in Fig. 4F gezeigten Wellenform P ist, da ein Widerstandswert klein ist, eine Entladung durchgeführt durch die Diode Df und den Widerstand Rf. Bei einer in Fig. 4F gezeigten Wellenform Q wird, da ein Lastwiderstandswert ausreichend groß ist, eine in der Induktivität Lo gespeicherte Energie verbraucht.
Wie in den Fig. 3 und 4A-4H dargestellt, kann, wenn der Hauptkontaktpunkt 24 und der erste Halbleiterschalter 25 ausgeschaltet sind, da der erste Halbleiterschalter 25 zwischen dem Leistungsblock 20 und dem Lastblock 22 ausgeschaltet ist, das Leckstromproblem, welches durch die in Fig. 2 gezeigte Dämpferschaltung auftritt, verhindert werden, obwohl eine Spannungsgröße der Gleichstromleistung verändert wird, kann das Problem verhindert werden.
Da jedoch der Halbleiterschalter keine idealen Isolierungscharakteristika aufweist, fließt der Leckstrom (im Allgemeinen einige µA) durch die Halbleiterschaltungsvorrichtung, die Menge des Leckstroms spielt in tatsächlichen Anwendungen keine Rolle.
Da jede geeignete Klemmenschaltung für den Leistungsblock 20 und den Lastblock 22 verwendet wird, ohne die Dämpfungsschaltung an den beiden Enden des Halbleiterschalters zu verwenden, können diese Charakteristika erhalten werden. Da zusätzlich die im Dämpferkondensator Cs angesammelte Energie zum Verringern von Überspannung beim Ausschalten des Leistungshalbleiters automatisch durch den zweiten Halbleiterschalter 27 und den Widerstand Rs entladen wird, kann eine bestimmte Spannung aufrecht erhalten werden.
Die Spannung an beiden Enden des Kondensators Cs wird mit der Zenerdiode Dz durch die Spannungsteiler-Widerstände R1, R2 verbunden, wenn die Spannung des Kondensators Cs eine Spannung erreicht, dass Strom zur Zenerdiode Dz fließt; im Kondensator Cs geladene Energie wird automatisch über den Widerstand Rs entladen durch Einschalten des zweiten Halbleiterschalters 27.
Zwischenzeitlich ist in der vorliegenden Erfindung der erste Halbleiterschalter 25, der parallel mit dem Hauptkontaktpunkt 24 verbunden ist, nicht auf den IGBT beschränkt, sondern alle Arten von Halbleitervorrichtungen, wie etwa ein BJT, ein GTO, ein IGCT, ein RCT, usw. können verwendet werden. Da allgemein das Gleichstromschütz nur einen Hauptkontaktpunkt aufweist, ist die vorliegende Erfindung jedoch mit dem Fall beschrieben, dass die vorliegende Erfindung auch auf einen Fall angewandt werden kann, wo einige Kontaktpunkte vorhanden sind.
Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine weitere Ausführungsform eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in Fig. 5 dargestellt, schließt ein Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein: eine Leistungseinheit 30 zum Zuführen einer spezifischen Leistungsspannung VDC; einen Unterbrecherschalter 34 zum Vorsehen eines Zuführwegs der Leistungsspannung durch ein Eingeschaltet sein gemäß der Spannungsanlegung an einer Betriebsspule 37; Zweiwege-Wechselspannungsschalter 35, 36, zum Vorsehen eines Zuführwegs in zwei Wegen durch ein Gate-Signal, ungeachtet einer Polarität der Leistungsspannung; eine Dämpferschaltung 31A zum Aufrecherhalten einer bestimmten Spannung durch automatisches Entladen werden, wenn eine geladene Spannung gemäß dem Anlegen der Leistungsspannung VDC größer ist als eine bestimmte Spannung beim Ausschalten des Schützes 34 und der Zweiwege- Wechselspannungsschalter 35, 36; und erste und zweite Entlade-Entferneinheiten 31B, 31C zum Entfernen eines Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs der Last, die Spannung ungeachtet der Polarität beim Ausschalten des Schalters ändernd.
Hier wird die Konstruktion der weiteren Ausführungsform, sich von der Ausführungsform in Fig. 3 unterscheidend, beschrieben werden.
Zuerst wird, um das Schütz in Übereinstimmung mit der weiteren Ausführungsform dazu zu bringen, normal zu arbeiten, wenn ein Eingang/Ausgang eines weiteren Schützes wechselnd verbunden wird oder eine Polarität des Laststroms verändert wird, ein Halbleiterschalter, verbunden in Serie mit dem Hauptkontaktpunkt 34, durch die Zweiwege-Wechselstromschalter 35, 36 ersetzt, die ersten und zweiten Entladestrom-Entferneinheiten 31B, 31C werden an beiden Enden der Leistungseinheit 30 und des Lastblocks 32 installiert, und die Dämpferschaltung 31A, die Leistungseinheit 30 und der Lastblock 32 werden jeweils mit dem Kondensator Cs durch Dioden Ds1, Ds2 verbunden.
In Fig. 5 besteht, falls die Gleichstromleistung VDC mit dem Lastblock 32 verbunden ist und der Lastblock 32 mit der Leistungseinheit 30 verbunden ist, die Dämpferschaltung 31A aus der Diode Ds2 und dem Kondensator Cs, ein Freilaufweg der Lastseite ist ein Weg durch die Diode Df1 und die Last Rf1, und ein Schalter QB und eine Diode DA der Zweiweg-Wechselstromschalter 35, 36 führen eine Funktion eines Leistungshalbleiters durch.
Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, welches noch eine weitere Ausführungsform eines Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in Fig. 6 dargestellt, schließt das Schaltungsdiagramm, welches noch eine weitere Ausführungsform des Gleichstromhybridschützes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt, ein: eine Leistungseinheit 40 zum Vorsehen einer bestimmten Wechselstrom- oder Gleichstromleistungsspannung VDC; einen Unterbrecherschalter 44 zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung VDC durch sein Geschaltet sein gemäß der Spannungsanlegung an eine Betriebsspule 48; Zweiwege-Wechselstromschalter 45, 46 zum Vorsehen des Zufuhrwegs in zwei Wegen durch ein Gate-Signal ungeachtet der Polarität der Leistungseinheit 40; eine Dämpferschaltung und eine Entladestrom-Entferneinheit 47 zum Vorsehen eines Entladestromweges der geladenen Last gemäß der Leistungsspannungsanlegung der Leistungseinheit 40 und einer Aufrechterhaltung einer bestimmten Spannung durch eine automatische Entladung in Überspannung (größer als ein bestimmter Wert) ungeachtet von Gleichstrom oder Wechselstrom beim Ausschalten des Unterbrecherschalters 44 und der Zweiwege- Wechselstromschalter 45, 46.
Hier wird eine von der der Ausführungsform in Fig. 3 abweichende Konstruktion beschrieben werden.
Zuerst wird, um das Schütz in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform normal betreibbar zu machen, wenn ein Eingang/Ausgang eines anderen Schützes wechselverbunden ist oder eine Polarität des Laststroms verändert wird, ein Halbleiterschalter, der in Serie mit dem Hauptkontaktpunkt 44 verbunden ist, durch die Zweiwege-Wechselstromschalter 45, 46 ersetzt, die Dämpfer und die Klemmschaltung werden durch Brückendioden 47A, 47B ersetzt, wie in Fig. 6 dargestellt.
Da die noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Funktionen ausführen kann, welche mit denen eines herkömmlichen Wechselstromhybrid- Unterbrecherschalters gleich sind, und Gleichstrom/Wechselstromflüsse abschneiden kann, besitzt sie sehr breite Betriebscharakteristika.
Erstens führen Klemmenschaltungen D1, D2, D3, D4, Cs, welche eine Brückendiodenform, installiert an beiden Enden der Leistungseinheit 40, aufweisen, die Dämpferfunktionen aus. Zusätzlich führen die gleichgeschnittenen Klemmenschaltungen, die am Lastblock 42 installiert sind, die gleichen Funktionen aus. Wie in Fig. 6 dargestellt, ersetzen in der Dämpferschaltung 47 der Leistungseinheit 40 zwei Dioden D1, D4 und der Kondensator Cs Funktionen der Dämpferdiode Ds und des Kondensators Cs in Fig. 3, und zwei Dioden D6, D7 des Lastblocks 42 und der Kondensator Cs ersetzen Funktionen der Klemmenschaltungen Df, Rf in Fig. 3.
Fig. 7A und 7B sind Schaltungsdiagramme, welche unterschiedliche Konstruktionen von Zweiwege-Halbleiterschaltern in Fig. 5 und 6 darstellen.
In Fig. 7A wird eine IGBT in einer Diodenbrückenverkabelung verwendet. In Fig. 7B sind Rückwärts-Abschneidedioden Dx, Dy mit einer IGBT seriell verbunden. Zweiwege-Halbleiterschalter in Fig. 7A und 7B führen die gleichen Funktionen aus, wie die der Zweiwege-Halbleiterschalter in Fig. 5 und 6. Aus Zweckmäßigkeit weisen sie die gleiche Form wie die der Halbleiterschalter in Fig. 5 und 6 auf.
Fig. 8 ist eine beispielhafte Ansicht, welche eine Halbleiterschaltereinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt, installiert am herkömmlichen Gleichstromhybridschütz. Durch Entfernung einer Lichtbogen- Auslöscheinheit 61 vom herkömmlichen elektromagnetischen Schütz und Installieren der Halbleiterschaltereinheit 21 in Fig. 3, die Halbleiterschaltung 31 in Fig. 5 oder die Halbleiterschaltereinheit 41 in Fig. 6, einen Hauptkontaktpunkt 62, den Subkontaktpunkt 63, und eine Betriebsspule 64 am herkömmlichen Wechselstrom elektromagnetischen Schütz als Modulformen ist es möglich, das Gleichstromschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorzusehen, welches eine niedrigere Höhe aufweist als die des herkömmlichen elektromagnetischen Schützes, während es die gleiche Stromkapazität beibehält.
Wie oben beschrieben, kann im Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch Miniaturisieren einer Größe eines Leckstroms beim Ausschalten eines Hauptkontaktpunktes und eines Halbleiterschalters, dieses einfach und effizient verwendet werden.
Zusätzlich kann im Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, obwohl eine Verbindung eines Leistungsblocks und eines Lastblocks geändert wird oder eine Stromflussrichtung geändert wird oder eine Polarität der damit verbundenen Leistung geändert wird oder eine Wechselstromleistung angelegt wird, dieses normal betrieben werden.
Zusätzlich ist es möglich, wenn das Gleichstromhybridschütz in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf das herkömmliche Wechselstrom elektromagnetische Schütz angewandt wird, da eine Lichtbogen-Auslöscheinheit des Wechselstrom elektromagnetischen Schützes durch einen Halbleiterschalter ersetzt werden kann, dass eine Größe eines Gleichstromhybridschalters stark verringert wird und demgemäss ein Wechselstrom elektromagnetisches Schütz durch einen elektromagnetischen Gleichstromschalter ersetzt werden kann.
Da die vorliegende Erfindung in einigen Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Geist oder wesentlichen Charakteristika davon abzuweichen, sei es auch klar, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht durch irgendwelche der Details der vorangegangenen Beschreibung begrenzt sind, soweit nicht anderweitig angegeben, sondern vielmehr breit innerhalb ihres Geistes und des Umfangs, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, zu interpretieren sind und daher alle Änderungen und Modifikationen, welche innerhalb der Metren und der Grenzen der Ansprüche fallen, oder Äquivalente solcher Metren und Grenzen daher beabsichtigt sind, dass sie durch die angehängten Ansprüche umfasst sind.

Claims

1. Hybrides elektromagnetisches Gleichstromschütz, umfassend:
eine Leistungseinheit zum Zuführen einer bestimmten Leistungsspannung;
einen Hauptkontaktpunkt eines Unterbrecherschalters zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung durch geschaltet sein in Übereinstimmung mit einer Spannungsanlegung an eine Betriebsspule;
einen Schalter zum Vorsehen eines Zufuhrwegs der Leistungsspannung gemäß einem Gate-Signal;
eine Dämpferschaltung zum Laden von Spannung an beiden Enden des Schalters beim Ausschalten des Schalters und Entladen werdend durch Fluss eines elektrischen Stroms, wenn die geladene Spannung nicht geringer ist als eine bestimmte Spannung; und
eine Entladestrom-Entferneinheit zum Entfernen des Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs zu einem Lastblock beim Ausschalten des Schalters.

2. Schütz nach Anspruch 1, wobei der Schalter ein erster Halbleiterschalter ist.

3. Schütz nach Anspruch 1, wobei die Dämpferschaltung abgezweigt ist von einem Kontaktpunkt, an welchem eine Kathodenseite einer Diode und ein Kondensator seriell verbunden sind, ein erster Widerstand und ein zweiter Widerstand seriell verbunden sind mit der abgezweigten Dämpferschaltung, ein Kontaktpunkt der ersten und zweiten Widerstände mit einer Kathodenseite einer Zenerdiode verbunden ist, ein dritter Widerstand, verbunden mit einem Transistor, mit einer Anode der Zenerdiode verbunden ist, der erste Widerstand mit einem Kollektor des Transistors verbunden ist, und ein vierter Widerstand seriell mit einem Emitter des Transistors verbunden ist.

4. Schütz nach Anspruch 1, wobei eine Kathode einer Diode und eine Seite eines Widerstands in der Entladestrom-Entferneinheit verbunden sind.

5. Hybrides elektromagnetisches Gleichstromschütz, umfassend:
eine Leistungseinheit zum Zuführen einer bestimmten Leistungsspannung (VDC);
einen Hauptkontaktpunkt eines Unterbrecherschalters zum Vorsehen eines Zuführwegs der Leistungsspannung durch geschaltet sein in Übereinstimmung mit einer Spannungsanlegung an eine Betriebsspule;
einen Schalter zum Vorsehen eines Zufuhrwegs zur Leistungsspannung auf zwei Wegen gemäß einem Gate-Signal ungeachtet einer Polarität der Leistungsspannung;
eine Dämpferschaltung zur Beibehaltung einer bestimmten Spannung durch automatisches Zufuhr-entladen sein eines Stroms, wenn eine Spannung, geladen durch angelegt Sein der Leistungsspannung (VDC) beim Ausschalten eines Schützes und der Schalter nicht weniger als eine bestimmte Spannung beträgt; und
erste und zweite Entladestrom-Entfernschaltungen zum Entfernen des Entladestroms durch Vorsehen eines Entladestromwegs einer geladenen Last der Spannung ungeachtet der Polarität.

6. Schütz nach Anspruch 5, wobei der Schalter ein Zweiweg- Gleichstromschalter ist.

7. Schütz nach Anspruch 5, wobei der Schalter aus ersten und zweiten Schaltungsvorrichtungen besteht.

8. Schütz nach Anspruch 7, wobei die erste Schaltungsvorrichtung konstruiert ist, um so eine erste Diode mit einem ersten Transistor rückwärtsparallel zu verbinden und die zweite Schaltungsvorrichtung so konstruiert ist, um eine zweite Diode mit einem zweiten Transistor rückwärts-parallel in der entgegengesetzten Richtung der ersten Schaltungsvorrichtung zu verbinden.

9. Schütz nach Anspruch 5, wobei eine erste Diode in Vorwärtsrichtung der ersten Schaltungsvorrichtung verbunden ist, eine zweite Diode in der Vorwärtsrichtung der zweiten Schaltungsvorrichtung verbunden ist, die erste Schaltungsvorrichtung mit der zweiten Schaltungsvorrichtung verbunden ist und die erste Diode seriell mit der zweiten Diode verbunden ist.

10. Schütz nach Anspruch 5, wobei eine Kathode einer Diode und eine Seite eines Widerstands miteinander jeweils in den ersten und den zweiten Entladestrom-Entferneinheiten verbunden sind.

11. Hybrides elektromagnetisches Gleichstromschütz, umfassend:
eine Leistungseinheit zum Anlegen einer bestimmten Wechselstrom- oder Gleichstromleistungsspannung;
einen Hauptkontaktpunkt eines Unterbrecherschalters zum Vorsehen eines Zufuhrwegs einer Leistungsspannung (VDC) durch geschaltet sein in Übereinstimmung mit einer Spannungsanlegung an eine Betriebsspule;
einen Schalter zum Vorsehen eines Zuführwegs in zwei Wegen ungeachtet einer Polarität der Leistungseinheit gemäß einem Gate-Signal; und
eine Dämpferschaltung und eine Entladestrom-Entferneinheit zum Vorsehen eines Schalters und Beibehalten einer bestimmten Spannung durch automatisches Entladen beim Überschreiten einer bestimmten Spannung.

12. Schütz nach Anspruch 11, wobei der Schalter ein Zweiwege- Wechselstromschalter ist.

13. Schütz nach Anspruch 11, wobei der Schalter aus ersten und zweiten Schaltungsvorrichtungen besteht.

14. Schütz nach Anspruch 13, wobei die erste Schaltungsvorrichtung so konstruiert ist, um eine erste Diode mit einem ersten Transistor rückwärtsparallel zu verbinden, und die zweite Schaltanordnung so konstruiert ist, um eine zweite Diode mit einem zweiten Transistor rückwärts-parallel in der entgegengesetzten Richtung der ersten Schaltvorrichtung zu verbinden.

15. Schütz nach Anspruch 1 l, wobei der Schalter einschließt:
eine erste Diode, die in Vorwärtsrichtung der ersten Schaltvorrichtung verbunden ist; und
eine zweite Diode, die in der Vorwärtsrichtung der zweiten Schaltvorrichtung verbunden ist;
wobei die erste Schaltvorrichtung mit der zweiten Schaltvorrichtung verbunden ist, und die erste Diode seriell mit der zweiten Diode verbunden ist.

16. Schütz nach Anspruch 11, wobei die Dämpferschaltung und die Entladestrom-Entferneinheit einschließt:
eine erste Brückendiode, die mit einem Kondensator parallel verbunden ist,
einen ersten und einen zweiten Widerstand, parallel verbunden mit dem Kondensator, eine Seite des ersten Widerstands ist mit einem Kontaktpunkt einer Diode verbunden, die parallel mit einem Transistor verbunden ist,
eine Zenerdiode, bei welcher eine Anode davon mit einer Basis des Transistors verbunden ist und mit der anderen Seite des ersten Widerstands verbunden ist;
ein dritter Widerstand, der jeweils mit der Basis des Transistors, einem Kontaktpunkt der Anode der Zenerdiode und dem zweiten Widerstand in Serie verbunden ist;
ein vierter Widerstand, der jeweils mit einem Emitter des Transistors und einer Seite einer zweiten Brückendiode in Serie verbunden ist; und
die zweite Brückendiode, bei welcher die andere Seite davon mit dem ersten Widerstand und einem Kontaktpunkt des Kondensators verbunden ist.