基于晶闸管的固态交流断路器及其控制方法与流程

本发明涉及断路器技术领域，特别涉及一种基于晶闸管的固态交流断路器及其控制方法。

背景技术：

断路器按照分断供电源的性质可以分为交流断路器和直流断路器，按照分断原理可以分为依托电力电子器件如igbt的固态断路器，传统的机械式断路器以及机械开关与电力电子器件相结合的混合式断路器。

传统的机械式断路器虽然耐压强度高，可靠性好，通态损耗较低，但在分断电流通路的过程中会产生电弧，造成分断触头的磨损，不利于维护，且分断速度也较慢。因此基于电力电子器件的固态型断路器成为了新的研究趋势。

目前，基于晶闸管的固态交流断路器分断能力比较弱，控制相对复杂。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种基于晶闸管的固态交流断路器，对交流电路进行快速通断，且分断能力强，成本低，控制相对灵活。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于晶闸管的固态交流断路器，包括载流通路、能量吸收电路、电流转移支路以及控制器；

所述载流通路分别与能量吸收电路、电流转移支路以及控制器电连接；控制器与电流转移支路电连接；

所述载流通路用于在交流供电源和用电设备之间提供电流通路，并能够通过控制器对其进行通断控制；

能量吸收电路用于吸收在半导体功率器件开通或者关断过程中产生的过电压，其与载流通路中的半导体功率器件并联连接；

电流转移支路用于在需要对载流通路进行分断操作时，给予其必要的反向电压使得电流不再流经载流通路达到载流通路的目的；电流转移支路也与所述载流通路中的半导体功率器件并联连接；

控制器用于控制电流转移支路产生反向电压以及和载流通路的分断和恢复操作，其产生的驱动信号作用于载流通路和电流转移支路。

优选地，所述载流通路包括二极管构成的整流桥与晶闸管并联，交流供电源通过二极管整流桥与晶闸管并联的电流通路给负载供电，控制器为晶闸管提供控制信号。

优选地，所述能量吸收电路由过压吸收避雷器mov构成，其与所述载流通路并联，用于吸收在晶闸管开通和关断时出现的过电压。

优选地，所述电流转移支路包括吸收电容c、放电电阻r、二极管整流桥、变压器tr和逆变器；

放电电阻r与吸收电容c串联，二极管构成整流桥并联在放电电阻r上，整流桥的两个中间点分别与变压器tr两个初级抽头连接，变压器tr的次级输出与逆变器连接；逆变器由电池或电容器提供电能。

为更灵活地实现对上述一种基于晶闸管的固态交流断路器的控制，本发明还提供了一种基于晶闸管的固态交流断路器的控制方法，包括以下步骤：

交流供电系统中发生短路故障或是需要对某个设备进行检修时，给予控制器触发指令；

控制器输出高频逆变器的驱动信号，输出固定的高频交流电压；

经过二极管整流桥输出与晶闸管导通方向相反的截止电压，关断晶闸管，断开电流通路，交流通路不再流经晶闸管，而是经二极管整流桥沿一个电流方向流经放电电阻和吸收电容，对吸收电容进行充电；

高频变压器输出的交流电压也经二极管整流桥对吸收电容进行充电；

通过控制器来停止逆变器的驱动信号调制，此时便只有供电源的交流电源对吸收电容进行充电；

需要重新导通载流通路恢复供电时，通过控制器再次触发晶闸管使其导通，此时吸收电容上的电压会通过载流通路完成放电；

等待下一次需要断开电路的时刻。

本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器主要的优点体现在以下几个方面：

1、首先相较于传统的机械式交直流断路器来说，基于电力电子器件的固态式断路器和基于电力电子器件与机械开关结合的混合式断路器在动作时间，电弧抑制，维护成本等方面有着突出的优势。

2、第一部分中的载流通路选择二极管整流桥与晶闸管的结合，相较于全控型器件igbt，晶闸管的研究更为深入，且耐压效果较好，成本较低。同时，根据不同的电压等级应用场合，可以选择若干个晶闸管串联来提升整体的耐压效果，因此也适用于高电压环境。由于晶闸管串联技术相对成熟，因此所述固态交流断路器在应用上更灵活，成本更低。

3、在电流转移支路中，采用高频逆变器与高频变压器结合并通过二极管整流桥在需要断路器动作时给予晶闸管一个合适的反向电压，因此在控制上更为方便。同时通过设置合理的变压器变比使得固态断路器关断电流和恢复电流通路的能力达到最优化，分断速度也较为理想。相比于采用igbt为控制核心的其他固态断路器来讲，所述断路器还具备占地面积小，技术难度低等优点。

本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器控制方法操作步骤简单，容易控制，经过长期的实践检验证明其十分可靠和稳定。

附图说明

图1为本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器系统组成结构图；

图2为本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器拓扑。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的图1~2，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种基于晶闸管的固态交流断路器，包括载流通路1、能量吸收电路2、电流转移支路3以及控制器4。

载流通路1分别与能量吸收电路2、电流转移支路3以及控制器4电连接；控制器4与电流转移支路3电连接。

载流通路1用于在交流供电源和用电设备之间提供电流通路，并可以通过控制器4对其进行通断控制。

能量吸收电路2用于吸收在半导体功率器件开通或者关断过程中产生的过电压，其与载流通路1中的半导体功率器件并联连接。

电流转移支路3用于在需要对载流通路1进行分断操作时，给予其必要的反向电压使得电流不再流经载流通路1达到载流通路1的目的。电流转移支路3也与所述载流通路1中的半导体功率器件并联连接。

控制器4用于控制电流转移支路3产生反向电压以及和载流通路1的分断和恢复操作，其产生的驱动信号作用于载流通路1和电流转移支路3。

具体地，如图2所示，载流通路1采用电力电子器件中的晶闸管与二极管整流拓扑并联而成，即交流供电源通过二极管整流桥与晶闸管并联的电流通路给负载供电。控制器4为晶闸管提供控制信号，当给予晶闸管开通信号时，交流电压便可以持续地供给负载，当晶闸管两端承受一定的反向电压时，则晶闸管会关断，交流电压则不能继续给负载供电。因此晶闸管起到了控制该固态交流断路器的通断作用。

能量吸收电路2由过压吸收避雷器mov构成，其与上述载流通路1并联，主要作用是吸收在晶闸管开通和关断时出现的过电压。

电流转移支路3由吸收电容c、放电电阻r、高频二极管d5~d8整流桥、高频变压器tr和高频逆变器构成。

电流转移支路3也与载流通路1、能量吸收电路2并联。电流转移支路3中，放电电阻r与吸收电容c串联，高频二极管d5~d8构成整流桥并联在放电电阻r上，整流桥的两个中间点分别与高频变压器tr两个初级抽头连接，高频变压器tr的次级输出与高频逆变器连接。高频逆变器由电池或电容器提供电能。

当交流供电系统中发生短路故障或是需要对某个设备进行检修时，需要关断供电载流通路，这时通过控制器4触发高频逆变器的驱动信号，输出固定的高频交流电压，再经过二极管整流桥输出与晶闸管导通方向相反的截止电压，达到关断晶闸管，断开电流通路的效果。断开后，交流通路不再流经晶闸管，而是经二极管整流桥沿一个电流方向流经放电电阻和吸收电容，此时可以看作是对交流输出电压的整流，同时对吸收电容进行充电，另一方面高频变压器输出的交流电压也经二极管整流桥对电容进行充电。当停止逆变器的驱动信号调制时，此时便只有供电源的交流电源对电容进行充电。故障修复完成需要重新导通载流通路恢复供电时，再次触发晶闸管使其导通，此时电容上的电压会通过载流通路完成放电。等待下一次需要断开电路的时刻。

载流通路1的可控硅晶闸管与第二部分中的过压吸收避雷器mov并联，而第三部分电流转移支路中的吸收电容和放电电阻串联后再与第二部分中的过压吸收避雷器mov并联，二极管整流桥与放电电阻并联，其输入端为高频变压器tr的副边，原边接入高频逆变器。

上述一种基于晶闸管的固态交流断路器的控制可以采用以下方法步骤，包括：

步骤101：交流供电系统中发生短路故障或是需要对某个设备进行检修时，给予控制器触发指令；

步骤102：控制器输出高频逆变器的驱动信号，输出固定的高频交流电压；

步骤103：经过二极管整流桥输出与晶闸管导通方向相反的截止电压，关断晶闸管，断开电流通路，交流通路不再流经晶闸管，而是经二极管整流桥沿一个电流方向流经放电电阻和吸收电容，对吸收电容进行充电；

步骤104：高频变压器输出的交流电压也经二极管整流桥对吸收电容进行充电；

步骤105：通过控制器来停止逆变器的驱动信号调制，此时便只有供电源的交流电源对吸收电容进行充电；

步骤106：需要重新导通载流通路恢复供电时，通过控制器再次触发晶闸管使其导通，此时吸收电容上的电压会通过载流通路完成放电，接着等待下一次需要断开电路的时刻。

本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器主要的优点体现在以下几个方面：

1、首先相较于传统的机械式交直流断路器来说，基于电力电子器件的固态式断路器和基于电力电子器件与机械开关结合的混合式断路器在动作时间，电弧抑制，维护成本等方面有着突出的优势。

2、第一部分中的载流通路选择二极管整流桥与晶闸管的结合，相较于全控型器件igbt，晶闸管的研究更为深入，且耐压效果较好，成本较低。同时，根据不同的电压等级应用场合，可以选择若干个晶闸管串联来提升整体的耐压效果，因此也适用于高电压环境。由于晶闸管串联技术相对成熟，因此所述固态交流断路器在应用上更灵活，成本更低。

3、在电流转移支路中，采用高频逆变器与高频变压器结合并通过二极管整流桥在需要断路器动作时给予晶闸管一个合适的反向电压，因此在控制上更为方便。同时通过设置合理的变压器变比使得固态断路器关断电流和恢复电流通路的能力达到最优化，分断速度也较为理想。相比于采用igbt为控制核心的其他固态断路器来讲，所述断路器还具备占地面积小，技术难度低等优点。

本发明提供的基于晶闸管的固态交流断路器控制方法操作步骤简单，容易控制，经过长期的实践检验证明其十分可靠和稳定。