專利名稱：軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)設(shè)備，尤其是短時(shí)作用場(chǎng)合使用的單相交流開關(guān)。
背景技術(shù)：
斷路器是電力系統(tǒng)的重要控制、保護(hù)設(shè)備。隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)短路電 流水平迅速提高。目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)機(jī)械斷路器具有動(dòng)作可靠性高、開斷能力強(qiáng)、通態(tài)損 耗小等優(yōu)點(diǎn)，但也有動(dòng)作速度慢、動(dòng)作一致性差，且在動(dòng)作過(guò)程中常有電弧產(chǎn)生、易損毀觸 頭、使用壽命短的缺點(diǎn)。新型固態(tài)斷路器(靜止型斷路器)利用現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)，在 動(dòng)作速度上具有較大的優(yōu)勢(shì)，但其容量有限、過(guò)負(fù)載能力差、正常工作時(shí)損耗大、不能完全 開斷隔離電路等缺點(diǎn)限制了固態(tài)斷路器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對(duì)固態(tài)斷路器的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)提出利用真空斷路器良好的靜態(tài)特性，結(jié)合電力電 子回路的動(dòng)態(tài)特性構(gòu)成混合式斷路器(hybrid circuit breaker，HCB)。在機(jī)械式開關(guān)的基 礎(chǔ)上，用電力電子器件作為無(wú)觸頭開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)的觸頭并聯(lián)，構(gòu)成一種新型斷路器，即 混合式電力電子斷路器。混合式斷路器應(yīng)用于電力系統(tǒng)，關(guān)鍵在于其固態(tài)開關(guān)部分(電力電子換流裝置)電 壓和電流承受能力的提高。絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)結(jié)合了功率MOSFET易驅(qū)動(dòng)以及電力雙極結(jié)型晶體管(bipolar junction transistor,BJT)通態(tài)損耗低的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的綜合性能，已成為當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣 泛的全控型電力電子器件。因此，混合式斷路器中選用IGBT作為其固態(tài)換流元件?；旌鲜綌嗦菲鞑皇菍C(jī)械式斷路器與固態(tài)斷路器簡(jiǎn)單并聯(lián)，而是在綜合機(jī)械式斷 路器與靜止式固態(tài)斷路器二者優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展功能。與機(jī)械式或靜止式固態(tài)斷路器 相比，混合式斷路器具有穩(wěn)態(tài)工作時(shí)導(dǎo)通損耗小、無(wú)弧動(dòng)作、動(dòng)作快速等優(yōu)點(diǎn)。采用IGBT構(gòu)成的混合斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中SWmain為主開關(guān)，Imain為 流過(guò)主開關(guān)的電流，is為電源電流，A、i2、i3分別為流入IGBT、緩沖回路、吸收回路的電流， Di D4為二極管橋式電路、IGBT、緩沖回路、吸收回路、放電回路與隔離開關(guān)SWis構(gòu)成固態(tài) 換流回路。混合式斷路器的工作過(guò)程如下1)閉合過(guò)程為了避免主開關(guān)SWmain動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生 有害電弧，在SWmain閉合或斷開前，起換流作用的固態(tài)開關(guān)IGBT必須首先處于導(dǎo)通狀態(tài)。 斷路器需要閉合時(shí)，首先投入固態(tài)換流回路，在電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)合上主開關(guān)，此時(shí)因主開 關(guān)導(dǎo)通電阻小于固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通電阻，電流開始從固態(tài)換流回路流至主開關(guān)，完成換流動(dòng) 作后，可以斷開固態(tài)換流回路。在整個(gè)導(dǎo)通過(guò)程中，因固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通電壓小于主開關(guān)的起 弧電壓，所以主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)在其觸點(diǎn)間將不會(huì)產(chǎn)生電弧。2)斷開過(guò)程當(dāng)需要斷路器迅速 關(guān)斷時(shí)，首先通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將固態(tài)換流回路投入工作，固態(tài)開關(guān)完全導(dǎo)通后，斷開主開關(guān)， 禾Ij用主開關(guān)觸點(diǎn)間的電弧電壓將電流換流至固態(tài)換流回路。因?yàn)殡娀‰妷菏芄虘B(tài)開關(guān)導(dǎo)通 壓降的限制，在主開關(guān)觸點(diǎn)間不會(huì)產(chǎn)生電弧，這樣完成了對(duì)主開關(guān)觸點(diǎn) 的保護(hù)。在主開關(guān)觸點(diǎn)完全斷開并恢復(fù)絕緣強(qiáng)度后，關(guān)斷固態(tài)開關(guān)?；旌蠑嗦菲麟m然避免了主開關(guān)在通斷過(guò)程中電弧的產(chǎn)生，但是必須由電力電子器 件承擔(dān)開關(guān)過(guò)程中du/dt及di/dt，對(duì)器件的要求較高；另外，斷路器的動(dòng)作時(shí)間由傳統(tǒng)的 機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間變成了機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間和電力電子器件動(dòng)作時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種新型的單相交流開關(guān)，使之 解決現(xiàn)有技術(shù)存在的以下問(wèn)題1)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)；2)斷開電路時(shí)，會(huì)生產(chǎn)截流過(guò)電壓； 3)閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，由主電路、開關(guān)控制支路及與開關(guān)控制支路相連接的 開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組 成。所述開關(guān)控制支路上設(shè)置有采集主電路電量信號(hào)的電量檢測(cè)單元；所 述開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由在直流側(cè)并聯(lián)有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單元組成的 橋式整流電路所構(gòu)成。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)利用電力電子器件構(gòu)成開關(guān)器件，利用檢測(cè)單元檢測(cè)主電路的電壓 或者電流，在接收到斷開信號(hào)并且電路中的電壓過(guò)零或者電流過(guò)零時(shí)，控制開關(guān)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn) 零電壓或零電流關(guān)斷；在接收到導(dǎo)通信號(hào)并且主電路電壓為零時(shí)，控制開關(guān)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電 壓導(dǎo)通。采用本發(fā)明能夠達(dá)到1)減小開關(guān)應(yīng)力，提高開關(guān)的使用壽命；2)利用電流過(guò)零關(guān) 斷開關(guān)時(shí)，可以基本消除截流過(guò)電壓；3)減小合閘浪涌過(guò)電流；4)具有較高的開關(guān)速度，最 大響應(yīng)時(shí)間為10ms。


附圖1是現(xiàn)有技術(shù)混合斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 附圖2是本發(fā)明單相交流開關(guān)工作原理圖
附圖3是本發(fā)明單相交流開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 附圖4是一種IGBT器件的串聯(lián)方案原理圖 附圖5是本發(fā)明單相交流開關(guān)控制流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，由主電路、開關(guān)控制支路及與開關(guān)控制支路相連接的 開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。所述開關(guān)控制支路上設(shè)置有采集主電路電量信號(hào)的電量檢測(cè)單元；所 述開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由在直流側(cè)并聯(lián)有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單元組成的 橋式整流電路所構(gòu)成。軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)工作原理如圖2所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合圖2 和圖3軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)由主電路Z、開關(guān)控制支路L及與開關(guān)控制支路相連接的開 關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)K組成。開關(guān)控制支路上設(shè)置有采集主電路電量信號(hào)的電量檢測(cè)單元M，開關(guān)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)K包含二極管單元D1 D4及置于其直流側(cè)的全控型電力電子器件單元IGBT。關(guān)斷 的控制信號(hào)由控制器KZ發(fā)出。在開關(guān)處于接通狀態(tài)、電源電壓在正半周時(shí)，電流流通的途徑如下二極管單元D1—全控型電力電子器件單元一二極管單元D3 ；電源電壓在負(fù)半周時(shí)， 電流的途徑如下二極管單元D2 —全控型電力電子器件單元一二極管單元D4。
全控型電力電子器件單元可串聯(lián)設(shè)置一個(gè)以上，當(dāng)主電路電壓超過(guò)器件的耐壓水 平時(shí)，需要利用串聯(lián)技術(shù)來(lái)提高單相交流開關(guān)的耐壓等級(jí)，圖4給出了一種IGBT串聯(lián)方案， 圖中，電容 C1KC2, C3 C4 ；電阻 R1KR2, R3 R4, R1 + R2 = R3 + R4。根據(jù)在實(shí)際實(shí)施時(shí)的不同選擇，電量檢測(cè)單元M可以為以下單元(傳感器)或其 組合電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元。需要實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零關(guān)斷時(shí)，則設(shè)置電流傳感器；需要 實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)，需要設(shè)置電壓傳感器；需要實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零關(guān)斷、電壓過(guò)零導(dǎo)通 時(shí)，需要設(shè)置電壓、電流傳感器?？刂茊卧刹捎贸Ｒ?guī)的結(jié)構(gòu)，控制單元完成以下功能控制單元收到閉合信號(hào)并 且主電路電壓信號(hào)過(guò)零時(shí)，閉合開關(guān)；控制單元收到斷開信號(hào)并且電壓過(guò)零時(shí)，斷開開關(guān)； 控制單元收到斷開信號(hào)并且電流過(guò)零時(shí)，斷開開關(guān)。典型的開關(guān)控制流程(采用電壓傳感器 時(shí)控制流程)如圖5所示。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型的單相交流開關(guān)，利用電力電子器件構(gòu)成開關(guān)設(shè)備，實(shí) 現(xiàn)了無(wú)沖擊的關(guān)斷或接通電路，從而可以避免斷開電路時(shí)產(chǎn)生截流過(guò)電壓以及合閘時(shí)產(chǎn)生 浪涌過(guò)電流，從而降低對(duì)開關(guān)器件的要求。另外，由于是采用電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)器 件，因此具有較高的開關(guān)速度。顯然，其它的全控型電力電子器件可關(guān)斷型晶閘管GT0、功率晶體管GTR、絕緣柵 雙極型晶體管IGBT、集成門極換流晶閘IGCT等在實(shí)際使用中與IGBT器件具有等同的效果。 在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的 情況下，對(duì)其進(jìn)行的關(guān)于形式和細(xì)節(jié)的種種顯而易見的修改或變化均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，由主電路、開關(guān)控制支路及與開關(guān)控制支路相連接的開 關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其特征在于，所述開關(guān)控制支路上設(shè)置有采集主電路電量信號(hào)的電量檢 測(cè)單元；所述開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由在直流側(cè)并聯(lián)有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單 元組成的橋式整流電路所構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，其特征在于，所述全控型電力電 子器件單元為絕緣柵雙極型晶體管IGBT。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，其特征在于，所述電量檢測(cè)單元 可以為以下單元或其組合電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，其特征在于，所述全控型電力 電子器件單元可串聯(lián)設(shè)置一個(gè)以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟開關(guān)模式單相交流開關(guān)，由主電路、開關(guān)控制支路及與開關(guān)控制支路相連接的開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。開關(guān)控制支路上設(shè)置有采集主電路電量信號(hào)的電量檢測(cè)單元。開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由在直流側(cè)并聯(lián)有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單元組成的橋式整流電路所構(gòu)成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊的關(guān)斷或接通電路，從而可避免斷開電路時(shí)產(chǎn)生截流過(guò)電壓以及合閘時(shí)產(chǎn)生浪涌過(guò)電流，降低對(duì)開關(guān)器件的高強(qiáng)度要求；由于采用電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)器件，因此具有較高的開關(guān)速度。
文檔編號(hào)H02M7/217GK102005947SQ20101053018
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者侯黎明, 馮曉云, 宋文勝, 李云峰, 熊成林, 王青元, 葛興來(lái), 韓坤 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)