專利名稱：軟開關模式單相交流開關的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統設備，尤其是短時作用場合使用的單相交流開關。
背景技術：
斷路器是電力系統的重要控制、保護設備。隨著電力系統的迅速發展，電網短路電 流水平迅速提高。目前廣泛應用的傳統機械斷路器具有動作可靠性高、開斷能力強、通態損 耗小等優點，但也有動作速度慢、動作一致性差，且在動作過程中常有電弧產生、易損毀觸 頭、使用壽命短的缺點。新型固態斷路器(靜止型斷路器)利用現代大功率電力電子技術，在 動作速度上具有較大的優勢，但其容量有限、過負載能力差、正常工作時損耗大、不能完全 開斷隔離電路等缺點限制了固態斷路器在電力系統中的應用。針對固態斷路器的缺點，文獻提出利用真空斷路器良好的靜態特性，結合電力電 子回路的動態特性構成混合式斷路器(hybrid circuit breaker，HCB)。在機械式開關的基 礎上，用電力電子器件作為無觸頭開關與機械式開關的觸頭并聯，構成一種新型斷路器，即 混合式電力電子斷路器。混合式斷路器應用于電力系統，關鍵在于其固態開關部分(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)結合了功率MOSFET易驅動以及電力雙極結型晶體管(bipolar junction transistor,BJT)通態損耗低的優點，具有優異的綜合性能，已成為當前工業領域應用最廣 泛的全控型電力電子器件。因此，混合式斷路器中選用IGBT作為其固態換流元件。混合式斷路器不是將機械式斷路器與固態斷路器簡單并聯，而是在綜合機械式斷 路器與靜止式固態斷路器二者優點基礎上進一步擴展功能。與機械式或靜止式固態斷路器 相比，混合式斷路器具有穩態工作時導通損耗小、無弧動作、動作快速等優點。采用IGBT構成的混合斷路器拓撲結構如圖1所示，其中SWmain為主開關，Imain為 流過主開關的電流，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SWis構成固態 換流回路。混合式斷路器的工作過程如下1)閉合過程為了避免主開關SWmain動作時產生 有害電弧，在SWmain閉合或斷開前，起換流作用的固態開關IGBT必須首先處于導通狀態。 斷路器需要閉合時，首先投入固態換流回路，在電流達到穩態值時合上主開關，此時因主開 關導通電阻小于固態開關的導通電阻，電流開始從固態換流回路流至主開關，完成換流動 作后，可以斷開固態換流回路。在整個導通過程中，因固態開關的導通電壓小于主開關的起 弧電壓，所以主開關導通時在其觸點間將不會產生電弧。2)斷開過程當需要斷路器迅速 關斷時，首先通過驅動電路將固態換流回路投入工作，固態開關完全導通后，斷開主開關， 禾Ij用主開關觸點間的電弧電壓將電流換流至固態換流回路。因為電弧電壓受固態開關導通 壓降的限制，在主開關觸點間不會產生電弧，這樣完成了對主開關觸點 的保護。在主開關觸點完全斷開并恢復絕緣強度后，關斷固態開關。混合斷路器雖然避免了主開關在通斷過程中電弧的產生，但是必須由電力電子器 件承擔開關過程中du/dt及di/dt，對器件的要求較高；另外，斷路器的動作時間由傳統的 機械開關動作時間變成了機械開關動作時間和電力電子器件動作時間。

發明內容
鑒于現有技術的以上缺點，本發明的目的是設計一種新型的單相交流開關，使之 解決現有技術存在的以下問題1)開關動作時間較長；2)斷開電路時，會生產截流過電壓； 3)閉合時會產生浪涌電流。本發明的目的是通過如下的手段實現的。軟開關模式單相交流開關，由主電路、開關控制支路及與開關控制支路相連接的 開關執行機構組 成。所述開關控制支路上設置有采集主電路電量信號的電量檢測單元；所 述開關執行機構由在直流側并聯有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單元組成的 橋式整流電路所構成。本發明的結構利用電力電子器件構成開關器件，利用檢測單元檢測主電路的電壓 或者電流，在接收到斷開信號并且電路中的電壓過零或者電流過零時，控制開關關斷，實現 零電壓或零電流關斷；在接收到導通信號并且主電路電壓為零時，控制開關導通，實現零電 壓導通。采用本發明能夠達到1)減小開關應力，提高開關的使用壽命；2)利用電流過零關 斷開關時，可以基本消除截流過電壓；3)減小合閘浪涌過電流；4)具有較高的開關速度，最 大響應時間為10ms。


附圖1是現有技術混合斷路器的拓撲結構圖 附圖2是本發明單相交流開關工作原理圖
附圖3是本發明單相交流開關拓撲結構圖 附圖4是一種IGBT器件的串聯方案原理圖 附圖5是本發明單相交流開關控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施案例對本發明作進一步說明。軟開關模式單相交流開關，由主電路、開關控制支路及與開關控制支路相連接的 開關執行機構組成。所述開關控制支路上設置有采集主電路電量信號的電量檢測單元；所 述開關執行機構由在直流側并聯有全控型電力電子器件單元的大功率二極管單元組成的 橋式整流電路所構成。軟開關模式單相交流開關工作原理如圖2所示，拓撲結構如圖3所示。結合圖2 和圖3軟開關模式單相交流開關由主電路Z、開關控制支路L及與開關控制支路相連接的開 關執行機構K組成。開關控制支路上設置有采集主電路電量信號的電量檢測單元M，開關執 行機構K包含二極管單元D1 D4及置于其直流側的全控型電力電子器件單元IGBT。關斷 的控制信號由控制器KZ發出。在開關處于接通狀態、電源電壓在正半周時，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 ；電源電壓在負半周時， 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設置一個以上，當主電路電壓超過器件的耐壓水 平時，需要利用串聯技術來提高單相交流開關的耐壓等級，圖4給出了一種IGBT串聯方案， 圖中，電容 C1KC2, C3 C4 ；電阻 R1KR2, R3 R4, R1 + R2 = R3 + R4。根據在實際實施時的不同選擇，電量檢測單元M可以為以下單元(傳感器)或其 組合電壓檢測單元、電流檢測單元。需要實現電流過零關斷時，則設置電流傳感器；需要 實現電壓過零關斷與導通時，需要設置電壓傳感器；需要實現電流過零關斷、電壓過零導通 時，需要設置電壓、電流傳感器。控制單元可采用常規的結構，控制單元完成以下功能控制單元收到閉合信號并 且主電路電壓信號過零時，閉合開關；控制單元收到斷開信號并且電壓過零時，斷開開關； 控制單元收到斷開信號并且電流過零時，斷開開關。典型的開關控制流程(采用電壓傳感器 時控制流程)如圖5所示。本發明通過設計一種新型的單相交流開關，利用電力電子器件構成開關設備，實 現了無沖擊的關斷或接通電路，從而可以避免斷開電路時產生截流過電壓以及合閘時產生 浪涌過電流，從而降低對開關器件的要求。另外，由于是采用電力電子器件構成的開關器 件，因此具有較高的開關速度。顯然，其它的全控型電力電子器件可關斷型晶閘管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等在實際使用中與IGBT器件具有等同的效果。 在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，本領域技術人員在不偏離本發明的范圍和精神的 情況下，對其進行的關于形式和細節的種種顯而易見的修改或變化均應落在本發明的保護 范圍之內。
權利要求
1.軟開關模式單相交流開關，由主電路、開關控制支路及與開關控制支路相連接的開 關執行機構組成，其特征在于，所述開關控制支路上設置有采集主電路電量信號的電量檢 測單元；所述開關執行機構由在直流側并聯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成。
2.根據權利要求1所述之軟開關模式單相交流開關，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.根據權利要求1所述之軟開關模式單相交流開關，其特征在于，所述電量檢測單元 可以為以下單元或其組合電壓檢測單元、電流檢測單元。
4.根據權利要求1或2所述之軟開關模式單相交流開關，其特征在于，所述全控型電力 電子器件單元可串聯設置一個以上。
全文摘要
本發明公開了一種軟開關模式單相交流開關，由主電路、開關控制支路及與開關控制支路相連接的開關執行機構組成。開關控制支路上設置有采集主電路電量信號的電量檢測單元。開關執行機構由在直流側并聯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成。本發明實現了無沖擊的關斷或接通電路，從而可避免斷開電路時產生截流過電壓以及合閘時產生浪涌過電流，降低對開關器件的高強度要求；由于采用電力電子器件構成的開關器件，因此具有較高的開關速度。
文檔編號H02M7/217GK102005947SQ20101053018
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者侯黎明, 馮曉云, 宋文勝, 李云峰, 熊成林, 王青元, 葛興來, 韓坤 申請人:西南交通大學