用于切换直流电流的装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于切换直流电流的装置(1)，具有：运行电流路径(5)，其具有机械开关(7)；与运行电流路径(5)并联连接的断开电流路径(15)，其具有功率电子开关(17)；以及换向装置，其使得能够将直流电流从运行电流路径(5)换向到断开电流路径(15)中。在此，换向装置具有变压器(21)。
【专利说明】
用于切换直流电流的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于切换直流电流的装置，具有运行电流路径、与运行电流路径 并联连接的断开电流路径和换向装置，运行电流路径具有机械开关，断开电流路径具有功 率电子开关，换向装置使得能够将直流电流从运行电流路径换向到断开电流路径中。
[0002] 本发明还涉及通过这种装置断开直流电流的方法。
【背景技术】
[0003] 开头提及的类型的装置从国际专利申请WO 2013/131582 Al中已知。在这种已知 的装置中，换向装置具有两极子模块的串联电路，其中，每个子模块具有能量存储器和功率 半导体电路。为了对子模块的能量存储器充电，设置了充电支路，其将具有高压电势的断开 电流路径连接到地电势。这里，换向装置的能量供应需要相当大的开销。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，提供一种装置和方法，利用其能够以简单和低成本 的方式安全地切换直流电流。根据本发明，上述技术问题通过根据权利要求1所述的装置以 及通过根据权利要求12所述的方法来解决。在从属权利要求中给出了所述装置和方法的有 利构造。
[0005] 公开了一种用于切换直流电流的装置，具有:运行电流路径，其具有机械开关;与 运行电流路径并联连接的断开电流路径，其具有功率电子开关；以及换向装置，其使得能够 将直流电流从运行电流路径换向到断开电流路径中，其中，换向装置具有变压器。在此，特 别有利的是，直流电流从运行电流路径到断开电流路径中的换向借助变压器进行。
[0006]所述装置可以设计为，变压器具有电隔离的第一绕组和第二绕组。由此，有利地实 现电隔离，使得断开电流路径相对于连接到变压器的其它单元电隔离。
[0007] 所述装置还可以设计为，在变压器的第一绕组和第二绕组之间布置有耐高压的电 绝缘。由此能够有利地在断开电流路径和连接到变压器的其它单元之间实现大的电势差。
[0008] 所述装置还可以设计为，断开电流路径具有变压器的第二绕组和功率电子开关的 串联电路。这种设计使得能够有利地借助变压器的第二绕组向断开电流路径中引入换向电 压。
[0009] 所述装置还可以设计为，变压器的第一绕组连接到馈送单元，借助其能够影响、特 别是调节在变压器的第二绕组上产生的电压。在这种设计中，能够借助于馈送单元影响或 者调节在变压器的第二绕组上产生的电压(换向电压）。
[0010] 所述装置还可以有利地设计为，馈送单元具有变流器。借助于变流器，可以对变压 器的第一绕组施加可在大的范围内变化的电压，使得由此能够在大的范围内影响或者调节 在变压器的第二绕组上出现的电压。
[0011]所述装置还可以设计为，馈送单元具有能量存储器、特别是电容器。具有这样的能 量存储器的馈送单元使得所述装置能够有利地能量自给自足地工作。这例如在所述装置连 接到的直流高压电网中发生电流故障的情况下特别有利。
[0012] 在此，所述装置可以设计为，能量存储器被配置用于存储换向所需的电能。在此， 特别地选择能量存储器的电容量，使得能量存储器存储足够的电能，以便执行完整的换向 过程。
[0013] 所述装置还可以设计为，功率电子开关被构造用于在两个方向上传导直流电流， 和用于断开该直流电流(也就是说，断开在两个方向上流动的直流电流）。这使得能够利用 所述装置断开在运行电流路径中在一个方向上流动的直流电流。但是在需要时，也可以利 用所述装置断开在运行电流路径中在相反的方向上流动的直流电流。
[0014] 在此，所述装置可以构建为，功率电子开关具有多个开关模块的反向串联电路。在 此，每个开关模块可以具有开关元件和反向并联连接的二极管。开关元件特别地可以是功 率半导体开关。
[0015] 所述装置还可以设计为，运行电流路径和断开电流路径具有高压电势，而变压器 的第一绕组和馈送单元具有低压电势。特别地，变压器的第一绕组和馈送单元可以连接到 地电势。这使得能够有利地在高压直流电网中使用所述装置，以便在该高压直流电网的支 路中断开直流电流。
[0016] 还公开了一种用于断开直流电流的方法，所述方法利用如下装置，所述装置具有
[0017] -运行电流路径，其具有机械开关，
[0018] -与运行电流路径并联连接的断开电流路径，其具有功率电子开关，以及
[0019] -换向装置，其使得能够将直流电流从运行电流路径换向到断开电流路径中，并且 换向装置具有变压器，其中，在所述方法中，
[0020] -直流电流首先流过运行电流路径，其中，机械开关闭合，
[0021] -借助变压器向断开电流路径中引入(注入)换向电压，
[0022] -基于换向电压，产生流过断开电流路径和运行电流路径的换向电流，其中，运行 电流路径中的换向电流的方向与直流电流相反，
[0023] -基于换向电流，使流过运行电流路径的电流减小，以及 [0024]-随后断开机械开关。
[0025] 在此，特别有利的是，借助变压器向断开电流路径中引入换向电压。这使得能够在 借助变压器实现电隔离的情况下，特别是在完全电势隔离的情况下，向断开电流路径中引 入换向电压。在该方法中，可以与上面给出的所有变形方案对应地构建所述装置。
[0026] 所述方法可以设计为，当流过运行电流路径的电流的特征参量低于预先确定的阈 值时，才断开机械开关。特别是，可以在流过运行电流路径的电流的电流大小低于预先确定 的阈值时，才断开机械开关。
[0027] 该特征参量例如可以是流过运行电流路径的电流的测量值i (t )、在预先给定的时 间间隔期间测量的电流的平均值或者其它与电流相关的值。在理想情况下，当流过运行电 流路径的电流达到零值时，才断开机械开关。于是在断开机械开关时不产生电弧。然而，实 际上，当流过运行电流路径的电流低于预先给定的（小的）阈值时，就已经可以断开机械开 关。虽然由于该小的、于是仍然流动的电流，在机械开关中产生(小的）电弧，但是在具有对 应的耐弧能力的情况下，开关不会损坏。
[0028] 所述方法还可以进行，使得(在断开机械开关之后)借助功率电子开关断开流过断 开电流路径的电流。
[0029] 由此，借助功率电子开关断开从运行电流路径换向到断开电流路径中的直流电 流，由此能够实现直流电流的快速断开。
[0030] 还可以实现所述方法，使得运行电流路径和断开电流路径在高压电势下运行，而 变压器的第一绕组和馈送单元在低压电势下运行，特别是连接到地电势。
[0031] 此外，所述方法具有上面结合所述装置给出的优点。
【附图说明】
[0032] 下面，根据实施例详细说明本发明。为此，
[0033]在图1中示出了示例性装置的电路原理图，
[0034]在图2中示出了所述装置的详细电路图，
[0035]在图3中示出了具有功率半导体开关和续流二极管的开关模块的实施例，
[0036] 在图4中不出了具有多个开关模块的功率电子开关的实施例，
[0037] 在图5中不出了具有多个开关模块的功率电子开关的另一个实施例，以及
[0038] 在图6中示出了作为制动斩波器模块构造的开关模块的实施例。
【具体实施方式】
[0039] 在图1中示出了用于切换直流电流Il的装置1的实施例。该装置1也可以称为直流 开关1。装置1具有第一接线端3,其电连接到运行电流路径5。运行电流路径具有机械开关7， 其一个触点电连接到第一接线端3,并且其另一个触点电连接到第二接线端9。第一接线端3 连接到未进一步示出的高压直流电网的第一导线11，第二接线端9连接到该高压直流电网 的第二导线13。在装置1接通的状态下，机械开关7闭合。虽然在图1中示出机械开关7处于断 开状态，但是下面在描述时假设机械开关(与图1中的图示不同）闭合。在接通状态下，直流 电流Il从第一导线11经由第一接线端3、运行电流路径5的闭合的机械开关7和第二接线端9 流向第二导线13。在闭合状态下，机械开关7具有非常小的导通电阻，因此在电流经由机械 开关7流动时，仅产生很小的电气损耗。因此，装置1能够在接通状态下仅以很小的电气导通 损耗传导电流。
[0040] 此外，装置1具有与运行电流路径5并联连接的断开电流路径15。在本实施例中，该 断开电流路径15作为功率电子开关17和变压器21的第二绕组19的串联电路来实现。变压器 21的第一绕组23电连接到馈送单元25。变压器21和馈送单元25形成换向装置。
[0041]变压器21的第一绕组23是初级绕组，变压器21的第二绕组19是次级绕组。第一绕 组23和第二绕组19电隔离，在第一绕组23和第二绕组19之间布置有耐高压的电绝缘27。由 此，在第二绕组19和馈送单元25之间形成电隔离。由此，可以在完全不同的电势上实现馈送 单元25和第二绕组19。特别地，第二绕组19的电势(还有机械开关7、功率电子开关17、第一 接线端3和第二接线端9的电势)可以被设计为高压电势19,而第一绕组23和馈送单元25具 有低压电势31。在此，特别有利的是，馈送单元25的能量供应能够以低压电势31进行，由此 不需要处于高压电势29的昂贵并且复杂的能量供应。此外，有利的是，对馈送单元的元件的 控制也能够以低压电势31进行。由此，馈送单元25的功率电子设备同样能够以低压电势或 者地电势来实现。因此，馈送单元25仅需要很小的绝缘开销，因为其处于低压电势或者地电 势。
[0042]馈送单元25产生电压，该电压施加在变压器21的第一绕组23上。由此，馈送单元能 够对在变压器的第二绕组19上由于感应而出现的电压产生影响。也就是说，馈送单元25和 变压器21用于向断开电流路径15中引入用作换向电压的电压。该换向电压在图1中用电压 箭头Uk示出。具有机械开关7、功率电子开关17和变压器21的电流回路形成装置1的换向回 路。将换向电压Uk引入断开电流路径15中，使得能够进行有源换向，也就是说，借助换向电 压Uk有源地进行换向过程。
[0043] 在装置1接通的状态下，机械开关7和功率电子开关17闭合(接通）。在该接通状态 下，直流电流Il几乎完全经由机械开关7流过运行电流路径5,因为与功率电子开关17相比， 机械开关7具有明显更小的导通电阻。如果要借助装置1断开直流电流II，则这在直流电流 11大的情况下，仅仅通过断开机械开关7无法实现。也就是说，在仅仅借助机械开关7断开大 电流Il时，在机械开关7中会产生电弧，电弧可能损坏或者摧毁机械开关7。因此，为了进行 断开，使直流电流Il从运行电流路径5转向/换向到断开电流路径15中；进行电流11从运行 电流路径5到断开电流路径15中的换向。为了进行这种换向，借助馈送单元25对变压器21的 第一绕组23施加电压。
[0044] 由于该电压，电流流过变压器的第一绕组。由于变压器的第一绕组23中的电流变 化，在第二绕组19中感生换向电压Uk。由于换向电压Uk，换向电流Ik在换向回路中（也就是 说，在由运行电流路径5和断开电流路径15形成的网孔中）流动。该换向电流Ik在运行电流 路径中与要断开的电流11的方向相反。由于该方向相反的换向电流，运行电流路径5中的直 流电流减小。
[0045] -旦直流电流Il的特征参量低于预先确定的阈值，则断开机械开关7。直流电流Il 的该特征参量例如可以是在运行电流路径中测量的电流11的瞬时值i (t)。在理想情况下， 当流过机械开关7的直流电流Il达到零值时，才断开机械开关7。在这种情况下，在机械开关 7中完全不产生电弧。但是，也可以在流过机械开关7的直流电流Il取很小的值时(例如当直 流电流Il低于值100A时），就断开机械开关7。虽然在这种情况下在断开机械开关7时产生电 弧，但是在机械开关7具有对应的耐弧设计时，该(弱的）电弧不会使机械开关7损坏。当运行 电流路径5中的直流电流达到零值，并且机械开关7中可能的电弧熄灭时，则机械开关7的绝 缘段可以接收电压。
[0046] 当流过运行电流路径的直流电流11由于换向电流而Ik越来越小时，相反流过断开 电流路径15的直流电流越来越大。也就是说，直流电流Il从运行电流路径5换向到断开电流 路径15中。在直流电流11(完全或者几乎完全)换向到断开电流路径15中之后，断开功率电 子开关17,由此断开直流电流II。功率电子开关17能够吸收在断开时产生的开关能量并且 转换为热能。由此，直流电流11的断开结束。
[0047] 在图2中示出了具有其它细节的图1的装置1。可以看到，功率电子开关17具有分别 与放电器213并联连接的多个串联连接的开关模块210。放电器例如可以设计为金属氧化物 可变电阻。这些金属氧化物可变电阻具有特别有利的特征曲线。放电器用于吸收或者转换 在断开时出现的开关能量。此外，放电器213分别用于保护开关模块210免受过电压尖峰。
[0048] 功率电子开关17也可以实现为，仅具有与一个放电器213并联连接的一个开关模 块210。于是，其是被耐压地设计为，开关模块能够接收施加在功率电子开关17上的全部电 压。然而，当如在图2中所示出的，功率电子开关17具有多个串联连接的开关模块210时，则 要切换的电压分布在各个开关模块上，从而该开关模块210仅必须分别具有较小的耐压性。 由此，能够使用具有较小的允许的开关电压的价格低廉的开关模块。
[0049] 此外，在图2中示出了，馈送单元25具有变流器228和能量存储器230。能量存储器 230例如可以作为电容器230构造。在装置1接通的状态下，能量存储器230存储使直流电流 11换向所需的电能。例如，可以由传统的低压电网、例如380伏交流电网向能量存储器230供 应电能。当能量存储器230充满电时，则在对能量存储器230供电的供电网发生故障的情况 下，能量存储器230也使得装置1能够以能量自给自足的方式工作。
[0050] 变流器228用于对变压器21供电。作为变流器228,可以使用传统的本领域技术人 员已知的变流器，例如以桥式电路构建的变流器。也就是说，变流器228的电路可以以不同 的方式实现，这里例如也可以使用可以针对不同的功率的工业传动装置提供的标准变流 器。
[0051] 借助变流器228,可以在大的范围内控制流过变压器21的第一绕组23的初级电流。 由此，能够有目的地控制换向过程。
[0052] 例如，可以借助变流器228对变压器21的第一绕组23施加直流电压。因此，在短时 间内在第一绕组23(其代表电感）中流过线性上升的电流(di/dt =常数）。由于第一绕组23 中的该线性上升的电流，在第二绕组19中感生换向电压，使得换向电流Ik(至少在短时间 内）同样形成为线性上升的电流。借助该换向电流Ik，可以执行换向过程。
[0053] 在另一个示例性变形方案中，可以借助变流器228对变压器21的第一绕组23施加 交流电压。由此，在第二绕组19中感生交流电压。由于该交流电流，在换向回路中流过换向 电流Ik。
[0054] 但是也可以借助变流器228对变压器的第一绕组23施加其它电压信号。重要的仅 是，由于在第二绕组19中感生的换向电压Uk，而开始在换向回路中流过方向与流过机械开 关7的直流电流Il相反的换向电流Ik。
[0055] 此外，在图2中示出了电流传感器233,其测量流过运行电流路径5的电流（由此测 量流过机械开关7的电流），以形成电流测量值。电流传感器233将该电流测量值传输至控制 器235,其对电流测量值进行分析。一旦控制器235识别出流过运行电流路径5的电流Il的特 征参量低于预先确定的阈值，则其向机械开关7发出断开命令。稍后（当机械开关7断开时）， 控制器235附加地向功率电子开关17发出断开命令。此外，控制器235还可以控制变流器 228，使得其向变压器21的第一绕组23输出对应的电压，以使换向过程开始。也就是说，控制 器235控制直流电流Il的整个断开过程。
[0056] 在此有利的是，由于变压器的电隔离/电势隔离，对电力电子变流器228的控制也 能够以低压电势进行，而不必以高压电势进行。也就是说，对于电绝缘、冷却和与变流器228 的通信，仅产生小的开销。由此得到装置1的简单并且低成本的实现。此外，优选借助变压器 实现能量存储器230和换向回路7、17、19之间的电隔离。由此，能够非常简单地以小的开销 对能量存储器230供应电能/充电。
[0057]在图3中示例性地示出了可以如何构件开关模块210。图3示出了非常简单地构建 的开关模块210,其仅由开关元件311和反向并联连接的续流二极管312构成。作为开关元件 311，例如可以使用可接通、可关断的功率半导体开关311。在此，作为开关元件311，可以使 用各种各样的功率半导体部件，例如功率晶体管、IGBT (绝缘栅双极晶体管)或者GTO (栅极 可关断晶闸管）。
[0058] 在图4中不出了功率电子开关17的实施例。功率电子开关17具有多个开关模块 210,其以与在图2中示出的开关模块相同的方式构建。开关模块的数量是可变的，可以与施 加在开关17上的电压的大小对应地选择。开关模块210串联连接(开关模块210的串联电 路），其中，所有开关模块具有相同的极性/极。每个开关模块210并联连接一个放电器213。 借助该功率电子开关17,可以断开在一个方向上流动的直流电流。
[0059] 在图5中示出了功率电子开关17的另一个实施例。该功率电子开关17具有多个开 关模块210,其以与在图2中示出的开关模块相同的方式构建。这些开关模块210反向串联连 接。在开关模块210的这种反向串联连接的情况下，开关模块的极性/极交替变化，例如相邻 的开关模块具有不同的极性。换句话说，功率电子开关17的开关模块210具有相反的极性/ 极。由此可以借助该功率电子开关17断开在两个方向上流过的直流电流。如在图4的功率电 子开关中那样，每个开关模块210并联连接一个放电器213。
[0060] 在使用根据图5的功率电子开关17时，可以利用装置1断开在两个方向上流动的直 流电流。也就是说，可以断开像图1的直流电流Il那样流动的直流电流，并且可以断开在相 反的方向上流动的直流电流。在此，变流器228可以被设计为其可以在第一绕组23上以任意 的极性施加电压(例如通过变流器228的双极实现）。
[0061] 在图6中示出了开关模块210'的实施例，其可以代替图2中示出的装置中的开关模 块210连同并联连接的放电器213。图6的开关模块210'是这种已知的所谓的制动斩波器模 块，其中可以借助欧姆电阻610将电能转换为热能。当机械开关7断开并且能够接收电压时， 则换向的直流电流通过接线端616和617流到开关模块210 '中。首先，该直流电流经由直接 连接到接线端616和617的开关元件620流动。当该开关元件620断开时，则该直流电流经由 二极管622流到电容器625中，对该电容器625充电。当电容器电压超过预先给定的值时，则 真正的切换支路中的开关元件630接通，由此电容器经由电阻610放电；电能在电阻610中转 换为热。由于电容器放电，电容器电压下降。在电容器电压低于预先给定的电压下限值时， 开关元件630断开，电容器625再次充电。这继续进行，直至断开换向的直流电流为止。
[0062] 所描述的直流电流开关1或者直流电流功率开关1可以有利地在高压直流传输网 络（HGt)网络）中使用，以便能够断开运行电流或者故障电流。其也可以称为高压直流功 率开关1。由于使用机械开关7和功率电子开关17,在接通状态下实现了小的导通损耗;功率 电子开关17能够实现短的反应时间以及针对直流电流的快速的断开能力。借助具有变压器 的换向装置，能够在断开电流路径和馈送单元之间实现大的电势差。由此，特别是简化了对 馈送单元的能量供应和/或对馈送单元的控制。
[0063] 描述了用于切换直流电流的装置以及用于切换直流电流的方法，利用其能够以可 靠并且低成本的方式断开特别是高压电势下的大的直流电流。
【主权项】
1. 一种用于切换直流电流的装置(I)，具有 -运行电流路径(5)，其具有机械开关(7)， -与运行电流路径(5)并联连接的断开电流路径（15)，其具有功率电子开关(17)，以及 -换向装置，其使得能够将直流电流从运行电流路径(5)换向到断开电流路径（15)中， 其特征在于， -换向装置具有变压器(21)。2. 根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， -变压器(21)具有电隔离的第一绕组(23)和第二绕组(19)。3. 根据权利要求1或2所述的装置， 其特征在于， -在变压器(21)的第一绕组(23)和第二绕组(19)之间布置有耐高压的电绝缘(27)。4. 根据权利要求2或3所述的装置， 其特征在于， -断开电流路径（15)具有变压器（21)的第二绕组（19)和功率电子开关（17)的串联电 路。5. 根据权利要求2至4中任一项所述的装置， 其特征在于， -变压器(21)的第一绕组(23)连接到馈送单元(25)，借助其能够影响在变压器(21)的 第二绕组（19)上产生的电压。6. 根据权利要求5所述的装置， 其特征在于， -馈送单元(25)具有变流器(228)。7. 根据权利要求5或6所述的装置， 其特征在于， -馈送单元(25)具有能量存储器(230)、特别是电容器(230)。8. 根据权利要求7所述的装置， 其特征在于， -能量存储器(230)被配置用于存储换向所需的电能。9. 根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， -功率电子开关(17)被构造用于在两个方向上传导直流电流和断开该直流电流。10. 根据权利要求9所述的装置， 其特征在于， -功率电子开关具有多个开关模块的反向串联电路，其中，每个开关模块具有开关元件 和反向并联连接的二极管。11. 根据权利要求5至10中任一项所述的装置， 其特征在于， -运行电流路径(5)和断开电流路径（15)具有高压电势(29)，以及 -变压器(21)的第一绕组(23)和馈送单元(25)具有低压电势（31)，特别是连接到地电 势。12. -种用于断开直流电流的方法，所述方法利用如下装置，所述装置具有 -运行电流路径(5)，其具有机械开关(7)， -与运行电流路径(5)并联连接的断开电流路径（15)，其具有功率电子开关(17)，以及 -换向装置，其使得能够将直流电流从运行电流路径(5)换向到断开电流路径（15)中， 并且换向装置具有变压器(21)，其中，在所述方法中， -直流电流首先流过运行电流路径(5 )，其中，机械开关(7)闭合， -借助变压器(21)向断开电流路径（15)中引入换向电压(UK)， -基于换向电压（UK)，产生流过断开电流路径（15)和运行电流路径（5)的换向电流 (IK )，其中，运行电流路径中的换向电流(IK)的方向与直流电流相反， -基于换向电流(IK)，使流过运行电流路径的电流减小，以及 -随后断开机械开关(7)。13. 根据权利要求12所述的方法， 其特征在于， -当流过运行电流路径的电流的特征参量低于预先确定的阈值时，才断开机械开关 ⑴。14. 根据权利要求12或13所述的方法， 其特征在于， -在断开机械开关(7)之后，借助功率电子开关(17)断开流过断开电流路径的电流。15. 根据权利要求12至14中任一项所述的方法， 其特征在于， -运行电流路径(5)和断开电流路径（15)在高压电势(29)下运行，以及 -变压器(21)的第一绕组(23)和馈送单元(25)在低压电势（31)下运行，特别是连接到 地电势。
【文档编号】H01H9/54GK105917431SQ201480073176
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年1月21日
【发明人】J.多恩, D.厄金, H.甘巴赫
【申请人】西门子公司