一種固態切換開關的製作方法
2023-10-11 01:54:49
專利名稱：一種固態切換開關的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電カ控制技術領域，具體地說，是涉及一種用於在多路供電電源之間進行快速切換的電能切換裝置。
技術背景在目前的電網供電系統中，電網經常會因為大型非線性/沖擊性負載的投切、雷電天氣、負載故障等原因，造成供電電壓瞬間暫降(即出現晃電)或者供電中斷等問題，由此導致某些敏感的用電設備(例如電腦伺服器、數據處理器、不允許斷電的設備等)終止供電，從而給石油、化工、半導體、紡織、冶金等連續性生產的行業或者金融中心、數據中心、醫院、交通運輸等系統帶來設備停運、エ藝流程中斷、數據丟失、設備損壞等嚴重後果，造成重大的經濟損失甚至人員傷亡。因此，對於供電有特殊要求的行業往往都配置有多路供電電源，一旦運行的主電源出現故障或者異常，需要將敏感負載的供電無擾地切換到其他備用電源上，以滿足敏感負載的不間斷供電需求。對於目前用於在多路電源之間進行切換的電能切換裝置來說，大多採用機械式開關，切換時間在數秒到數十秒之間。而對於某些敏感負載來說，要求20毫秒甚至幾個毫秒之內完成電源的切換，因此，傳統的電能切換裝置顯然無法滿足這些敏感負載對電源切換速度的要求。並且，傳統的電能切換裝置在開關過程中經常會產生電弧，由此也使得該類電能切換裝置的使用壽命大大縮短。
發明內容本實用新型為了解決現有電能切換裝置切換時間長、使用壽命短的問題，提供了一種能夠實現多路電源迅速切換的固態切換開關，在保證電網系統安全運行的同時，滿足了敏感負載的連續用電需求。為解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案予以實現一種固態切換開關，連接在為負載提供交流供電的多路交流電源的供電線路中，用於在多路交流電源之間進行切換，包括主控制器、用於檢測每一路交流電源的電壓值的電壓檢測裝置以及多組分別由兩個晶閘管反向並聯組成的開關單元；所述電壓檢測裝置連接在交流電源與開關單元相連接的供電線路上，採樣生成電壓檢測值輸出至所述的主控制器，所述主控制器根據接收到的電壓檢測值生成用於控制晶閘管通斷的觸發信號；所述開關單元一一對應地串聯在每一路交流電源的供電線路中，其晶閘管的控制極連接主控制器，接收主控制器輸出的觸發信號，以進行供電線路的切換。優選的，在所述每一路交流電源的每一條相電源線中均串聯有ー組所述的開關單
J Li ο進ー步的，在所述電壓檢測裝置中包含有多組分別由多個分壓電阻串聯組成的分壓網絡，在交流電源的每一條相電源線與地之間各自連接ー組所述的分壓網絡，通過每ー組分壓網絡的其中一個分壓節點輸出電壓檢測值至所述的主控制器。[0009]為了實現各路晶閘管的電流過零檢測，在所述每一路交流電源連接負載的供電線路中均連接有用於對交流電源進行電流檢測的電流檢測裝置，所述電流檢測裝置輸出電流檢測信號至所述的主控制器。優選的，在所述多路交流電源中包含有一路主電源和至少一路備用電源，所述備用電源與主電源同歩。對於主電源和備用電源不是常規供電電源的情況，為了滿足負載的供電需求，在所述每一路交流電源連接負載的供電線路中均連接有用於對交流電源進行降壓變換的變壓器。對於接ロ驅動能力不足的主控制器來說，為了實現對各路晶閘管的準確觸發，將 所述主控制器輸出的觸發信號經由驅動單元處理後，再輸出至晶閘管的控制扱。再進ー步的，在所述固態切換開關中還設置有人機互動単元，連接所述的主控制器，接收外部輸入的系統設置參數，並顯示系統的運行情況。更進一歩的，在所述人機互動単元中還設置有遠程通訊模塊，所述遠程通訊模塊以有線或者無線數據傳輸方式與遠程的控制中心進行雙向通信，將系統的運行情況定時地傳送至遠程的控制中心，並可接收控制中心發出的系統設置參數，進而實現遠程監控功能。為了方便對固態切換開關進行檢修和維護，在所述每ー組開關単元的兩端分別並聯有ー個旁路開關，在對固態切換開關進行檢修或者維護時，可以閉合旁路開關，通過旁路為負載繼續供電。與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果是本實用新型的固態切換開關從一路電源切換到另一路電源，其切換時間可以小於6毫秒，由此不僅可以避免因電壓暫降帶來的供電終止問題，而且從真正意義上實現了多路電源的互補、無擾供電，切實保障了敏感負載供電的連續性和可靠性。通過採用晶閘管作為開關器件，從而有效避免了開關過程中電弧的產生，杜絕了環流現象的出現，確保了電網系統的安全以及負載的正常穩定運行，具有投資少、節電、供電可靠、安全等顯著優勢。結合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述後，本實用新型的其他特點和優點將變得更加清楚。
圖I是本實用新型所提出的固態切換開關的整體架構示意圖；圖2是將固態切換開關應用在三相雙電源供電系統中的一種實施例的電路原理框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行詳細地描述。本實用新型為了解決傳統電能切換裝置採用機械式開關進行供電線路切換，在開關過程中易產生電弧，進而影響裝置使用壽命的問題，提出利用晶閘管作為開關元件組成用於執行供電線路切換動作的開關單元，並配合控制單元和檢測單元組成固態切換開關，實現對多路供電電源的無擾切換，不僅避免了切換過程中電弧的產生，而且開關動作響應迅速，為連續用電型負載的持續正常運行提供了保障。[0022]下面通過ー個具體的實施例來詳細闡述所述固態切換開關的具體組建結構及其
工作原理。實施例一，參見圖I所示，本實施例的固態切換開關主要包括電壓檢測裝置VI、V2、主控制器和開關單元SCR1、SCR2等組成部分。其中，電壓檢測裝置VI、V2用於對各路交流電源的電壓值進行採樣檢測，提供給主控制器以完成對交流電源是否出現異常的分析和判斷；開關單元SCR1、SCR2包括多組，分別連接在每一路交流電源的供電線路中，用於在各路交流電源之間進行選擇切換。本實施例在設計所述開關単元SCR1、SCR2的過程中，考慮到晶閘管具有成本低、過載能力強、可靠性高等特點，採用晶閘管作為開關元件來設計所述的開關單元SCR1、SCR2，如圖I所示。考慮到交流電源的電流雙向傳輸特性，在設計所述開關單元SCR1、SCR2時，需要在每ー組開關單元SCR1、SCR2中均設置兩個晶閘管T1P/T1N、T2P/T2N，且將兩個晶閘管TIP/TIN、T2P/T2N反向並聯後，串聯在每一路交流電源的供電線路中。當交流電源處於正半周吋，電流從正向晶閘管TlP或T2P流過；當交流電源處於負半 周吋，電流從反向晶閘管TlN或T2N流過。將每ー個晶閘管TIP/TIN、T2P/T2N的控制極連接到主控制器的不同觸發信號輸出接口上，在主控制器發出的觸發信號的控制作用下導通或者關斷，以實現對供電線路的切換控制。對於接ロ驅動能力不足的主控制器來說，可以在主控制器的觸發信號輸出接口上進ー步連接驅動單元，通過驅動單元來提升觸發信號的驅動能力，以實現對各路晶閘管TIP/TIN、T2P/T2N的觸發控制。在實際應用過程中，由於絕大部分時間都是採用電網電壓作為主電源為負載供電的，只有當電網電壓出現故障時才需要切換至備用電源為負載供電，因此，本實施例將開關単元SCRl、SCR2分別串聯在電網和備用電源的供電線路中，所述備用電源可以設置一路也可以設置多路交流電源。在系統正式投運後，當負載需要上電運行時，主控制器首先通過電壓檢測裝置Vl檢測電網電壓是否正常，若正常，則主控制器觸發連接在電網供電線路中的各路晶閘管T1P、T1N導通，利用電網電壓為負載供電。若電網電壓不正常，則通過電壓檢測裝置V2檢測備用電源是否正常，若備用電源正常，則主控制器觸發連接在備用電源供電線路中的各路晶閘管T2P、T2N導通，利用備用電源為負載供電，控制負載上電運行。若備用電源也出現異常，則維持負載當前的不工作狀態，並輸出電源故障的告警信號。假設在負載需要上電運行時電網電壓正常，則主控制器首先觸發連接在電網供電線路中的各路晶閘管TIP、TlN導通，使負載上電運行。在負載運行的過程中，主控制器通過電壓檢測裝置Vl實時地對電網電壓進行檢測，若電網供電出現異常，例如電網電壓的幅值發生暫降或者波動等，且電壓幅值降低到負載所允許的電源最低門限值以下吋，則主控制器停止向連接在電網供電線路中的晶閘管TIP、TIN發送觸發信號，轉而控制連接在其中一路備用電源供電線路中的晶閘管T2P、T2N導通，切換至備用電源為負載供電，以滿足負載的連續用電需求。通常情況下，備用電源的電量是有限的，不適宜長時間為負載供電，需要在電網電壓恢復後及時切換回電網繼續供電。因此，本實施例在採用備用電源為負載供電的過程中，通過電壓檢測裝置Vl繼續對電網電壓進行實時檢測，當檢測到電網供電恢復吋，則重新控制連接在電網供電線路中的晶閘管TIP、TIN導通，備用電源供電線路中的晶閘管T2P、T2N關斷，以切換回電網繼續為負載供電。若在電網供電恢復前，當前為負載供電的備用電源發生異常，例如電壓幅值發生暫降或者波動且低於負載所允許的電源最低門限值時，則主控制器應將供電電源切換至其他的備用電源上，具體可以採用觸發連接在其他備用電源供電線路中的晶閘管導通，並關閉當前備用電源供電線路中的晶閘管T2P、T2N的控制方式，將負載的供電切換至其他的備用電源上，以保證供電的連續性。為了提高電源切換的可靠性，優選在每一路交流電源的每一條相電源線中均串聯一組由兩個晶閘管反向並聯組成的開關單元，用於對每一條相電源線進行通斷控制。如圖2所示，對於三相交流電源來說，就需要三組所述的開關單元，一一對應地串聯在三條相電源線A、B、C中，分別對三相電源進行切換控制。在主電源和每一路備用電源的供電線路中均連接ー個電壓檢測裝置V1、V2，具體連接在各路交流電源與開關單元之間的連接線路上，用於對各路交流電源的相電壓進行採樣檢測。所述電壓檢測裝置Vl、V2可以採用由多個分壓電阻串聯組成分壓網絡的形式設計實現，分別連接在交流電源的每一條相電源線與地之間，通過選擇合適的分壓節點產生電壓檢測值，輸出至主控制器，進而換算出各路交流電源的相電壓，以完成對各路交流電源的電壓檢測。對於主電源和備用電源不是常規供電電源(將線電壓為380V的交流電源定義為常規供電電源)的情況，比如10千伏以上的交流電源等，則需要在主電源和備用電源的供電線路中増加變壓器Tl、T2，如圖I所示，對主電源和備用電源進行降壓變換後，再傳輸至所述的電壓檢測裝置VI、V2和開關單元SCRl、SCR2，進而滿足後級負載的安全用電需求。在主電源和備用電源的供電線路中還可以進ー步連接電流檢測裝置II、12，如圖I所示，具體可以採用交流互感器串聯在各路交流電源的供電線路中，用於對每一路交流電源的相電流進行過零檢測，並將電流檢測信號傳輸至所述的主控制器，以協助主控制器完成對各組開關單元SCRl、SCR2的可靠切換。為了滿足人機互動的要求，在本實施例的固態切換開關裝置中還設置有人機互動単元，如圖I所示，可以具體採用觸摸式顯示屏或者鍵盤加顯示屏的設計方式，連接所述的主控制器，以實現外部指令的輸入以及檢測結果的顯示功能。技術人員利用所述的人機互動単元可以向主控制器輸入其工作時所需要的系統設置參數，例如負載所允許的電源最低門限值、從備用電源切換回主電源的延時時間、自動和手動選擇設置等參數，以完成系統控制。對於系統的運行情況可以利用設置在人機互動単元中的遠程通訊模塊以有線或者無線數據傳輸方式定時傳送至遠程的控制中心，實現遠程監控和維護功能。在每ー組開關單元SCR1、SCR2的兩端還可以分別並聯ー個旁路開關ΚΙ、K2，所述旁路開關K1、K2可以選用手動開關，也可以選用電控開關。當固態切換開關出現故障或者停機時，可以通過旁路對負載供電，方便固態切換開關的檢修、維護和檢測。為描述簡便、清楚起見，本實施例以一路主電源和一路備用電源為例對所述固態切換開關的切換過程進行詳細闡述。首先，介紹ー下電壓暫降檢測方式。對於為負載供電的交流電源是否發生電壓暫降問題有很多種檢測方法，為了加快檢測速度，並保證檢測的可靠性，本實施例提出ー種基於廣義瞬時無功功率理論的瞬時電壓d_q分解變換算法來檢測供電電源的電壓，以實現對供電電源的電壓是否降低到負載所允許的電源最低門限值進行快速、準確的判斷。其具體的檢測方法是對於當前為負載供電的交流電源是三相交流電源的情況，可以直接利用電壓檢測裝置Vl或者V2採集三相交流電源的每一路相電壓U,、Uh、TJi ,傳輸至主控制器，以參與後續計算。[0034]對於當前為負載供電的交流電源是単相交流電源的情況，則首先利用電壓檢測裝置Vl或者V2採集單相交流電源的火線電壓R ,然後輸出至主控制器；通過主控制器採用
求導法由単相電壓K構造出虛擬的三相電壓，即
權利要求1.一種固態切換開關，連接在為負載提供交流供電的多路交流電源的供電線路中，用於在多路交流電源之間進行切換，其特徵在幹包括主控制器、用於檢測每一路交流電源的電壓值的電壓檢測裝置以及多組分別由兩個晶閘管反向並聯組成的開關單元；所述電壓檢測裝置連接在交流電源與開關單元相連接的供電線路上，採樣生成電壓檢測值輸出至所述的主控制器，所述主控制器根據接收到的電壓檢測值生成用於控制晶閘管通斷的觸發信號；所述開關単元一一對應地串聯在每一路交流電源的供電線路中，其晶閘管的控制極連接主控制器，接收主控制器輸出的觸發信號，以進行供電線路的切換。
2.根據權利要求I所述的固態切換開關，其特徵在於在所述每一路交流電源的每ー條相電源線中均串聯有ー組所述的開關單元。
3.根據權利要求2所述的固態切換開關，其特徵在於在所述電壓檢測裝置中包含有多組分別由多個分壓電阻串聯組成的分壓網絡，在交流電源的每一條相電源線與地之間各自連接一組所述的分壓網絡，通過每ー組分壓網絡的其中一個分壓節點輸出電壓檢測值至所述的主控制器。·
4.根據權利要求2所述的固態切換開關，其特徵在於在所述每一路交流電源連接負載的供電線路中均連接有用於對交流電源進行電流檢測的電流檢測裝置，所述電流檢測裝置輸出電流檢測信號至所述的主控制器。
5.根據權利要求I所述的固態切換開關，其特徵在於在所述多路交流電源中包含有一路主電源和至少一路備用電源，所述備用電源與主電源同歩。
6.根據權利要求I所述的固態切換開關，其特徵在於在所述每一路交流電源連接負載的供電線路中均連接有用於對交流電源進行降壓變換的變壓器。
7.根據權利要求I所述的固態切換開關，其特徵在於所述主控制器輸出的觸發信號經由驅動單元處理後，輸出至晶閘管的控制扱。
8.根據權利要求I至7中任一項所述的固態切換開關，其特徵在於在所述固態切換開關中還設置有人機互動単元，連接所述的主控制器。
9.根據權利要求8所述的固態切換開關，其特徵在於在所述人機互動単元中還設置有遠程通訊模塊，所述遠程通訊模塊以有線或者無線數據傳輸方式與遠程的控制中心進行雙向通信。
10.根據權利要求I至7中任一項所述的固態切換開關，其特徵在於在所述每ー組開關單元的兩端分別並聯有一個旁路開關。
專利摘要本實用新型公開了一種固態切換開關，連接在為負載提供交流供電的多路交流電源的供電線路中，用於在多路交流電源之間切換，包括主控制器、用於檢測每一路交流電源的電壓值的電壓檢測裝置以及多組分別由兩個晶閘管反向並聯組成的開關單元；所述電壓檢測裝置連接在交流電源與開關單元相連接的供電線路上，生成電壓檢測值輸出至主控制器，所述主控制器根據接收到的電壓檢測值生成用於控制晶閘管通斷的觸發信號；所述開關單元一一對應地串聯在每一路交流電源的供電線路中，其晶閘管的控制極連接主控制器，接收主控制器輸出的觸發信號，以進行供電線路的切換。該固態切換開關切換時間可以小於6毫秒，切實保障了敏感負載供電的連續性和可靠性。
文檔編號H02J9/06GK202424301SQ20122000208
公開日2012年9月5日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者郜克存, 隋學禮, 高波 申請人:青島經濟技術開發區創統科技發展有限公司