专利名称：一种固态切换开关的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电カ控制技术领域，具体地说，是涉及一种用于在多路供电电源之间进行快速切换的电能切換装置。
技术背景在目前的电网供电系统中，电网经常会因为大型非线性/沖击性负载的投切、雷电天气、负载故障等原因，造成供电电压瞬间暂降(即出现晃电)或者供电中断等问题，由此导致某些敏感的用电设备(例如电脑服务器、数据处理器、不允许断电的设备等)終止供电，从而给石油、化工、半导体、纺织、冶金等连续性生产的行业或者金融中心、数据中心、医院、交通运输等系统带来设备停运、エ艺流程中断、数据丢失、设备损坏等严重后果，造成重大的经济损失甚至人员伤亡。因此，对于供电有特殊要求的行业往往都配置有多路供电电源，一旦运行的主电源出现故障或者异常，需要将敏感负载的供电无扰地切換到其他备用电源上，以满足敏感负载的不间断供电需求。对于目前用于在多路电源之间进行切换的电能切換装置来说，大多采用机械式开关，切换时间在数秒到数十秒之间。而对于某些敏感负载来说，要求20毫秒甚至几个毫秒之内完成电源的切換，因此，传统的电能切換装置显然无法满足这些敏感负载对电源切換速度的要求。并且，传统的电能切換装置在开关过程中经常会产生电弧，由此也使得该类电能切换装置的使用寿命大大缩短。
发明内容本实用新型为了解决现有电能切換装置切換时间长、使用寿命短的问题，提供了一种能够实现多路电源迅速切換的固态切换开关，在保证电网系统安全运行的同时，满足了敏感负载的连续用电需求。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现一种固态切换开关，连接在为负载提供交流供电的多路交流电源的供电线路中，用于在多路交流电源之间进行切換，包括主控制器、用于检测每一路交流电源的电压值的电压检测装置以及多组分别由两个晶闸管反向并联组成的开关单元；所述电压检测装置连接在交流电源与开关单元相连接的供电线路上，采样生成电压检测值输出至所述的主控制器，所述主控制器根据接收到的电压检测值生成用于控制晶闸管通断的触发信号；所述开关单元一一对应地串联在每一路交流电源的供电线路中，其晶闸管的控制极连接主控制器，接收主控制器输出的触发信号，以进行供电线路的切換。优选的，在所述每一路交流电源的每一条相电源线中均串联有ー组所述的开关单
J Li ο进ー步的，在所述电压检测装置中包含有多组分别由多个分压电阻串联组成的分压网络，在交流电源的每一条相电源线与地之间各自连接ー组所述的分压网络，通过每ー组分压网络的其中一个分压节点输出电压检测值至所述的主控制器。[0009]为了实现各路晶闸管的电流过零检测，在所述每一路交流电源连接负载的供电线路中均连接有用于对交流电源进行电流检测的电流检测装置，所述电流检测装置输出电流检测信号至所述的主控制器。优选的，在所述多路交流电源中包含有一路主电源和至少一路备用电源，所述备用电源与主电源同歩。对于主电源和备用电源不是常规供电电源的情況，为了满足负载的供电需求，在所述每一路交流电源连接负载的供电线路中均连接有用于对交流电源进行降压变换的变压器。对于接ロ驱动能力不足的主控制器来说，为了实现对各路晶闸管的准确触发，将 所述主控制器输出的触发信号经由驱动单元处理后，再输出至晶闸管的控制扱。再进ー步的，在所述固态切换开关中还设置有人机交互単元，连接所述的主控制器，接收外部输入的系统设置參数，并显示系统的运行情況。更进一歩的，在所述人机交互単元中还设置有远程通讯模块，所述远程通讯模块以有线或者无线数据传输方式与远程的控制中心进行双向通信，将系统的运行情况定时地传送至远程的控制中心，并可接收控制中心发出的系统设置參数，进而实现远程监控功能。为了方便对固态切換开关进行检修和维护，在所述每ー组开关単元的两端分别并联有ー个旁路开关，在对固态切換开关进行检修或者维护时，可以闭合旁路开关，通过旁路为负载继续供电。与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是本实用新型的固态切换开关从一路电源切换到另一路电源，其切换时间可以小于6毫秒，由此不仅可以避免因电压暂降带来的供电终止问题，而且从真正意义上实现了多路电源的互补、无扰供电，切实保障了敏感负载供电的连续性和可靠性。通过采用晶闸管作为开关器件，从而有效避免了开关过程中电弧的产生，杜绝了环流现象的出现，确保了电网系统的安全以及负载的正常稳定运行，具有投资少、节电、供电可靠、安全等显著优势。结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
图I是本实用新型所提出的固态切换开关的整体架构示意图；图2是将固态切换开关应用在三相双电源供电系统中的一种实施例的电路原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行详细地描述。本实用新型为了解决传统电能切換装置采用机械式开关进行供电线路切換，在开关过程中易产生电弧，进而影响装置使用寿命的问题，提出利用晶闸管作为开关元件组成用于执行供电线路切换动作的开关单元，并配合控制单元和检测单元组成固态切换开关，实现对多路供电电源的无扰切換，不仅避免了切换过程中电弧的产生，而且开关动作响应迅速，为连续用电型负载的持续正常运行提供了保障。[0022]下面通过ー个具体的实施例来详细阐述所述固态切换开关的具体组建结构及其
工作原理。实施例一，參见图I所示，本实施例的固态切换开关主要包括电压检测装置VI、V2、主控制器和开关单元SCR1、SCR2等组成部分。其中，电压检测装置VI、V2用于对各路交流电源的电压值进行采样检测，提供给主控制器以完成对交流电源是否出现异常的分析和判断；开关单元SCR1、SCR2包括多组，分别连接在每一路交流电源的供电线路中，用于在各路交流电源之间进行选择切換。本实施例在设计所述开关単元SCR1、SCR2的过程中，考虑到晶闸管具有成本低、过载能力强、可靠性高等特点，采用晶闸管作为开关元件来设计所述的开关单元SCR1、SCR2，如图I所示。考虑到交流电源的电流双向传输特性，在设计所述开关单元SCR1、SCR2时，需要在每ー组开关单元SCR1、SCR2中均设置两个晶闸管T1P/T1N、T2P/T2N，且将两个晶闸管TIP/TIN、T2P/T2N反向并联后，串联在每一路交流电源的供电线路中。当交流电源处于正半周吋，电流从正向晶闸管TlP或T2P流过；当交流电源处于负半 周吋，电流从反向晶闸管TlN或T2N流过。将每ー个晶闸管TIP/TIN、T2P/T2N的控制极连接到主控制器的不同触发信号输出接口上，在主控制器发出的触发信号的控制作用下导通或者关断，以实现对供电线路的切换控制。对于接ロ驱动能力不足的主控制器来说，可以在主控制器的触发信号输出接口上进ー步连接驱动单元，通过驱动单元来提升触发信号的驱动能力，以实现对各路晶闸管TIP/TIN、T2P/T2N的触发控制。在实际应用过程中，由于绝大部分时间都是采用电网电压作为主电源为负载供电的，只有当电网电压出现故障时才需要切換至备用电源为负载供电，因此，本实施例将开关単元SCRl、SCR2分别串联在电网和备用电源的供电线路中，所述备用电源可以设置一路也可以设置多路交流电源。在系统正式投运后，当负载需要上电运行时，主控制器首先通过电压检测装置Vl检测电网电压是否正常，若正常，则主控制器触发连接在电网供电线路中的各路晶闸管T1P、T1N导通，利用电网电压为负载供电。若电网电压不正常，则通过电压检测装置V2检测备用电源是否正常，若备用电源正常，则主控制器触发连接在备用电源供电线路中的各路晶闸管T2P、T2N导通，利用备用电源为负载供电，控制负载上电运行。若备用电源也出现异常，则维持负载当前的不工作状态，并输出电源故障的告警信号。假设在负载需要上电运行时电网电压正常，则主控制器首先触发连接在电网供电线路中的各路晶闸管TIP、TlN导通，使负载上电运行。在负载运行的过程中，主控制器通过电压检测装置Vl实时地对电网电压进行检测，若电网供电出现异常，例如电网电压的幅值发生暂降或者波动等，且电压幅值降低到负载所允许的电源最低门限值以下吋，则主控制器停止向连接在电网供电线路中的晶闸管TIP、TIN发送触发信号，转而控制连接在其中一路备用电源供电线路中的晶闸管T2P、T2N导通，切換至备用电源为负载供电，以满足负载的连续用电需求。通常情况下，备用电源的电量是有限的，不适宜长时间为负载供电，需要在电网电压恢复后及时切换回电网继续供电。因此，本实施例在采用备用电源为负载供电的过程中，通过电压检测装置Vl继续对电网电压进行实时检测，当检测到电网供电恢复吋，则重新控制连接在电网供电线路中的晶闸管TIP、TIN导通，备用电源供电线路中的晶闸管T2P、T2N关断，以切换回电网继续为负载供电。若在电网供电恢复前，当前为负载供电的备用电源发生异常，例如电压幅值发生暂降或者波动且低于负载所允许的电源最低门限值时，则主控制器应将供电电源切換至其他的备用电源上，具体可以采用触发连接在其他备用电源供电线路中的晶闸管导通，并关闭当前备用电源供电线路中的晶闸管T2P、T2N的控制方式，将负载的供电切换至其他的备用电源上，以保证供电的连续性。为了提高电源切換的可靠性，优选在每一路交流电源的每一条相电源线中均串联一组由两个晶闸管反向并联组成的开关单元，用于对每一条相电源线进行通断控制。如图2所示，对于三相交流电源来说，就需要三组所述的开关单元，一一对应地串联在三条相电源线A、B、C中，分别对三相电源进行切换控制。在主电源和每一路备用电源的供电线路中均连接ー个电压检测装置V1、V2，具体连接在各路交流电源与开关单元之间的连接线路上，用于对各路交流电源的相电压进行采样检测。所述电压检测装置Vl、V2可以采用由多个分压电阻串联组成分压网络的形式设计实现，分别连接在交流电源的每一条相电源线与地之间，通过选择合适的分压节点产生电压检测值，输出至主控制器，进而换算出各路交流电源的相电压，以完成对各路交流电源的电压检測。对于主电源和备用电源不是常规供电电源(将线电压为380V的交流电源定义为常规供电电源)的情况，比如10千伏以上的交流电源等，则需要在主电源和备用电源的供电线路中増加变压器Tl、T2，如图I所示，对主电源和备用电源进行降压变换后，再传输至所述的电压检测装置VI、V2和开关单元SCRl、SCR2，进而满足后级负载的安全用电需求。在主电源和备用电源的供电线路中还可以进ー步连接电流检测装置II、12，如图I所示，具体可以采用交流互感器串联在各路交流电源的供电线路中，用于对每一路交流电源的相电流进行过零检測，并将电流检测信号传输至所述的主控制器，以协助主控制器完成对各组开关单元SCRl、SCR2的可靠切換。为了满足人机交互的要求，在本实施例的固态切换开关装置中还设置有人机交互単元，如图I所示，可以具体采用触摸式显示屏或者键盘加显示屏的设计方式，连接所述的主控制器，以实现外部指令的输入以及检测结果的显示功能。技术人员利用所述的人机交互単元可以向主控制器输入其工作时所需要的系统设置參数，例如负载所允许的电源最低门限值、从备用电源切換回主电源的延时时间、自动和手动选择设置等參数，以完成系统控制。对于系统的运行情况可以利用设置在人机交互単元中的远程通讯模块以有线或者无线数据传输方式定时传送至远程的控制中心，实现远程监控和维护功能。在每ー组开关单元SCR1、SCR2的两端还可以分别并联ー个旁路开关ΚΙ、K2，所述旁路开关K1、K2可以选用手动开关，也可以选用电控开关。当固态切换开关出现故障或者停机时，可以通过旁路对负载供电，方便固态切换开关的检修、维护和检测。为描述简便、清楚起见，本实施例以一路主电源和一路备用电源为例对所述固态切换开关的切換过程进行详细阐述。首先，介绍ー下电压暂降检测方式。对于为负载供电的交流电源是否发生电压暂降问题有很多种检测方法，为了加快检测速度，并保证检测的可靠性，本实施例提出ー种基于广义瞬时无功功率理论的瞬时电压d_q分解变换算法来检测供电电源的电压，以实现对供电电源的电压是否降低到负载所允许的电源最低门限值进行快速、准确的判断。其具体的检测方法是对于当前为负载供电的交流电源是三相交流电源的情况，可以直接利用电压检测装置Vl或者V2采集三相交流电源的每一路相电压U,、Uh、TJi ,传输至主控制器，以參与后续计算。[0034]对于当前为负载供电的交流电源是単相交流电源的情况，则首先利用电压检测装置Vl或者V2采集单相交流电源的火线电压R ,然后输出至主控制器；通过主控制器采用
求导法由単相电压K构造出虚拟的三相电压，即
权利要求1.一种固态切换开关，连接在为负载提供交流供电的多路交流电源的供电线路中，用于在多路交流电源之间进行切換，其特征在干包括主控制器、用于检测每一路交流电源的电压值的电压检测装置以及多组分别由两个晶闸管反向并联组成的开关单元；所述电压检测装置连接在交流电源与开关单元相连接的供电线路上，采样生成电压检测值输出至所述的主控制器，所述主控制器根据接收到的电压检测值生成用于控制晶闸管通断的触发信号；所述开关単元一一对应地串联在每一路交流电源的供电线路中，其晶闸管的控制极连接主控制器，接收主控制器输出的触发信号，以进行供电线路的切換。
2.根据权利要求I所述的固态切换开关，其特征在于在所述每一路交流电源的每ー条相电源线中均串联有ー组所述的开关单元。
3.根据权利要求2所述的固态切换开关，其特征在于在所述电压检测装置中包含有多组分别由多个分压电阻串联组成的分压网络，在交流电源的每一条相电源线与地之间各自连接一组所述的分压网络，通过每ー组分压网络的其中一个分压节点输出电压检测值至所述的主控制器。·
4.根据权利要求2所述的固态切换开关，其特征在于在所述每一路交流电源连接负载的供电线路中均连接有用于对交流电源进行电流检测的电流检测装置，所述电流检测装置输出电流检测信号至所述的主控制器。
5.根据权利要求I所述的固态切换开关，其特征在于在所述多路交流电源中包含有一路主电源和至少一路备用电源，所述备用电源与主电源同歩。
6.根据权利要求I所述的固态切换开关，其特征在于在所述每一路交流电源连接负载的供电线路中均连接有用于对交流电源进行降压变换的变压器。
7.根据权利要求I所述的固态切换开关，其特征在于所述主控制器输出的触发信号经由驱动单元处理后，输出至晶闸管的控制扱。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的固态切换开关，其特征在于在所述固态切換开关中还设置有人机交互単元，连接所述的主控制器。
9.根据权利要求8所述的固态切换开关，其特征在于在所述人机交互単元中还设置有远程通讯模块，所述远程通讯模块以有线或者无线数据传输方式与远程的控制中心进行双向通信。
10.根据权利要求I至7中任一项所述的固态切换开关，其特征在于在所述每ー组开关单元的两端分别并联有一个旁路开关。
专利摘要本实用新型公开了一种固态切换开关，连接在为负载提供交流供电的多路交流电源的供电线路中，用于在多路交流电源之间切换，包括主控制器、用于检测每一路交流电源的电压值的电压检测装置以及多组分别由两个晶闸管反向并联组成的开关单元；所述电压检测装置连接在交流电源与开关单元相连接的供电线路上，生成电压检测值输出至主控制器，所述主控制器根据接收到的电压检测值生成用于控制晶闸管通断的触发信号；所述开关单元一一对应地串联在每一路交流电源的供电线路中，其晶闸管的控制极连接主控制器，接收主控制器输出的触发信号，以进行供电线路的切换。该固态切换开关切换时间可以小于6毫秒，切实保障了敏感负载供电的连续性和可靠性。
文档编号H02J9/06GK202424301SQ20122000208
公开日2012年9月5日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者郜克存, 隋学礼, 高波 申请人:青岛经济技术开发区创统科技发展有限公司