CN202424301U - 一种固态切换开关 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本实用新型属于电力控制技术领域，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换装置。
背景技术
在目前的电网供电系统中，电网经常会因为大型非线性/冲击性负载的投切、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）终止供电，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、工艺流程中断、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换到其他备用电源上，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换装置来说，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换，因此，传统的电能切换装置显然无法满足这些敏感负载对电源切换速度的要求。并且，传统的电能切换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换装置切换时间长、使用寿命短的问题，提供了一种能够实现多路电源迅速切换的固态切换开关，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，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换。
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一组所述的开关单元。
进一步的，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一组所述的分压网络，通过每一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。
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步。
对于主电源和备用电源不是常规供电电源的情况，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。
对于接口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极。
再进一步的，在所述固态切换开关中还设置有人机交互单元，连接所述的主控制器，接收外部输入的系统设置参数，并显示系统的运行情况。
更进一步的，在所述人机交互单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参数，进而实现远程监控功能。
为了方便对固态切换开关进行检修和维护，在所述每一组开关单元的两端分别并联有一个旁路开关，在对固态切换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。
附图说明
图1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
下面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换装置采用机械式开关进行供电线路切换，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换，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。
下面通过一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。
实施例一，参见图1所示，本实施例的固态切换开关主要包括电压检测装置V1、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V1、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换。本实施例在设计所述开关单元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1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，需要在每一组开关单元SCR1、SCR2中均设置两个晶闸管T1P/T1N、T2P/T2N，且将两个晶闸管T1P/T1N、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时，电流从正向晶闸管T1P或T2P流过；当交流电源处于负半周时，电流从反向晶闸管T1N或T2N流过。将每一个晶闸管T1P/T1N、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。对于接口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一步连接驱动单元，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T1P/T1N、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换至备用电源为负载供电，因此，本实施例将开关单元SCR1、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V1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T1P、T1N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V1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时，则主控制器停止向连接在电网供电线路中的晶闸管T1P、T1N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，切换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V1继续对电网电压进行实时检测，当检测到电网供电恢复时，则重新控制连接在电网供电线路中的晶闸管T1P、T1N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换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。
为了提高电源切换的可靠性，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一个电压检测装置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V1、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测。
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增加变压器T1、T2，如图1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V1、V2和开关单元SCR1、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一步连接电流检测装置I1、I2，如图1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测，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SCR1、SCR2的可靠切换。
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单元，如图1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单元可以向主控制器输入其工作时所需要的系统设置参数，例如负载所允许的电源最低门限值、从备用电源切换回主电源的延时时间、自动和手动选择设置等参数，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单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。
在每一组开关单元SCR1、SCR2的两端还可以分别并联一个旁路开关K1、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换过程进行详细阐述。
首先，介绍一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，本实施例提出一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V1或者V2采集三相交流电源的每一路相电压 
、
、
，传输至主控制器，以参与后续计算。
对于当前为负载供电的交流电源是单相交流电源的情况，则首先利用电压检测装置V1或者V2采集单相交流电源的火线电压
，然后输出至主控制器；通过主控制器采用求导法由单相电压
构造出虚拟的三相电压，即：
其中，
，为交流电源的频率。
将三相电压
、
、
变换到d-q轴的关系式为：
式中，变换因子矢量：；
由此，计算出
、
，代入基波有效值的瞬时值计算公式：
便可计算出基波有效值的瞬时值。将
与负载的电源最低门限值（由技术人员通过人机交互单元输入到主控制器中）进行比较，以判断当前为负载供电的交流电源是否发生电压暂降问题，进而确定是否需要进行交流电源的切换操作。
传统计算基波有效值的瞬时值的计算方法为：
式中，n为交流电源一个周波内的电压采样个数，一般不能小于100；
为第i个电压检测值。由此可以看出传统的
计算方法需要进行开根号运算，软件编程实现困难，而且运算周期长，不利于电压暂降问题的快速判断，从而影响了供电线路的切换速度。而采用本实施例所提出的基波有效值的瞬时值
计算方法，编程容易，计算速度快，可以使主控制器在供电电源发生异常时，及时产生触发信号，控制开关单元SCR1、SCR2进行供电线路的迅速切换，为供电的无缝切换提供基础。
对开关单元SCR1、SCR2的切换控制是整个固态切换开关装置的核心控制部分，一个重要的性能指标就是切换时间,切换控制策略的选择是影响切换时间的重要因素。切换控制策略主要有两种：Break-Before-Make（简称BBM，先断后切）和Make-Before-Break （简称MBB，先切后断）。BBM 控制方式是在即将退出运行的晶闸管模块中流过的电流减小到零，晶闸管完全关断后，再触发即将投运的晶闸管模块导通。这种控制方式可以完全避免主电源和备用电源并联运行，保证电网和敏感负荷的安全运行。但是，若固态切换开关采用这种控制方式运行，则切换时间太长，会导致一些敏感负荷停运，从而限制了固态切换开关的应用范围。MBB 控制方式是在即将退出运行的晶闸管模块中流过的电流未减小到零时，触发即将投运的晶闸管模块开启，进而强制即将退出运行的晶闸管模块中流过的电流减小到零，加快切换速度，缩短切换时间，但是，控制过程较为复杂。
为了缩短切换时间，保证负载供电的可靠性，本实施例提出了一种全新的快速MBB切换控制策略。该策略通过检测每一对晶闸管的端电压Upea（即每一对晶闸管连接交流电源一侧的端电压Upea，如图2所示），来判断流过晶闸管的电流极性；然后根据电流极性触发连接在另外一路交流电源中与之连接关系对应的晶闸管导通，以完成该条电源线路的切换。切换控制策略是对交流电源的各相电源线分别控制，以三相交流电源的A相为例进行说明，B、C两相的控制方式相同。
结合图2所示，当主控制器接收到电压检测模块V1反馈的电压检测值后，首先计算出基波有效值的瞬时值
，然后与负载的电源最低门限值进行比较，若高于负载的电源最低门限值，则认为电网电压正常，维持当前各组开关单元的通断状态，继续采用电网为负载供电。若计算出
低于负载的电源最低门限值，则认为电网电压异常，比如发生电压暂降问题，则需要进行供电线路的切换操作。此时，主控制器首先通过电压检测装置V2检测备用电源是否正常，当备用电源正常时，开始执行切换过程。对于备用电源与电网电压同步和异步两种情况，主控制器可以分别采用以下两种不同的切换控制策略，下面分别展开说明。
当备用电源与电网电压同步时，主控制器首先停止向连接在电网的各相电源线中的晶闸管发送触发信号，以A相为例进行说明。然后，通过电压检测装置V1对连接在A相电源线中的晶闸管T1P、T1N的端电压Upea进行极性检测，若端电压Upea>0，即为正极性，则说明电流由电网流向负载，且流经正向晶闸管T1P。此时，反向晶闸管T1N因其两端加载了反向电压而截止，正向晶闸管T1P仍保持导通状态。主控制器向连接在备用电源的A相电源线中的正向晶闸管T2P发送触发信号，控制正向晶闸管T2P导通。晶闸管T2P触发导通后，若备用电源的电压高于电网电压，则晶闸管T1P因其两端加上了反向电压而截止。当检测到晶闸管T1P的电流减小到零时，则表示晶闸管T1P完全关断，继而向连接在备用电源的A相电源线中的反向晶闸管T2N发送触发信号，控制反向晶闸管T2N导通，完成该相电源线路的切换过程。同理，若通过电压检测装置V1检测到端电压Upea<0，即为负极性，则说明电流由负载流向电网，且流经反向晶闸管T1N。此时，正向晶闸管T1P因其两端加载了反向电压而截止，反向晶闸管T1N仍保持导通状态。在这种情况下，主控制器首先向连接在备用电源的A相电源线中的反向晶闸管T2N发送触发信号，待电网线路中的反向晶闸管T1N的电流过零时，再向连接在备用电源的A相电源线中的正向晶闸管T2P发送触发信号，控制正向晶闸管T2P触发导通，完成该相电源线路的切换过程。B、C两相的切换过程相同，本实施例不再重复说明。
在本实施例中，可以利用连接在电网供电线路中的电流检测装置I1实现对晶闸管T1P、T1N的电流过零检测。对于与电网同步的备用电源，可以利用逆变器根据电网的相位逆变生成。当然，本实施例并不仅限于以上举例。
当备用电源与电网电压不同步时，主控制器在检测到电网电压的幅值降低到负载的电源最低门限值以下时，首先停止向连接在电网各相电源线中的晶闸管发送触发信号，然后通过电压检测装置V1对各路晶闸管的端电压进行极性检测。仍以A相电压为例进行说明，若连接在A相电源线中的晶闸管T1P、T1N的端电压Upea为正极性，则一方面对流过正向晶闸管T1P的电流是否降低到零进行持续检测；另一方面，同时对备用电源的相位进行检测。若备用电源的相位在变化到与电网相位同相前，流经正向晶闸管T1P的电流已经减小到零，则表示晶闸管T1P完全关断，主控制器向连接在备用电源的A相电源线中的正向、反向两个晶闸管T2P、T2N发送触发信号，控制晶闸管T2P、T2N触发导通。若在流过正向晶闸管T1P的电流降低到零之前，备用电源变成与电网电压同相，则首先向连接在备用电源的A相电源线中的正向晶闸管T2P发送触发信号，待电网线路中的正向晶闸管T1P的电流过零时，再向连接在备用电源的A相电源线中的反向晶闸管T2N发送触发信号，控制反向晶闸管T2N触发导通，完成该相电源线路的切换过程。同理，若通过电压检测装置V1检测到端电压Upea为负极性，则首先检测流过反向晶闸管T1N的电流是否降低到零，若降低到零，则表示晶闸管T1P、T1N完全关断，通过主控制器向连接在备用电源的A相电源线中的正向、反向两个晶闸管T2P、T2N发送触发信号，控制晶闸管T2P、T2N触发导通，完成该相电源线路的切换过程。若在流过反向晶闸管T1N的电流降低到零之前，备用电源已经变成与电网电压同相，则首先向连接在备用电源的A相电源线中的反向晶闸管T2N发送触发信号，控制反向晶闸管T2N导通；待流过电网线路中的反向晶闸管T1N的电流减小到零时，再向连接在备用电源的A相电源线中的正向晶闸管T2P发送触发信号，控制正向晶闸管T2P触发导通，完成该相电源线路的切换过程。B、C两相的控制方式相同，本实施例在此不作重复说明。
整个切换过程用时不到1/4周波，可以保证负载的不间断供电。当作为主电源的电网电压恢复正常时，固态切换开关经过2-3个周波的延时后（此延时时间可以由技术人员通过人机交互单元进行设置），封锁用于控制备用电源供电线路中各个晶闸管T2P、T2N导通的触发脉冲信号，并在各晶闸管T2P、T2N的电流过零时，切换到主电源为负载继续供电。
本实施例的主控制器可以采用DSP数字信号处理器设计实现，通过采用可靠的电压检测方法和晶闸管的端电压极性检测方法，并配合全新的切换控制策略，不仅有效防止了环流的产生，而且在保证电网安全运行的基础上，确保了负载（特别是敏感负载）的不间断正常运行。
当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
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换，其特征在于：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换。
2.根据权利要求1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一条相电源线中均串联有一组所述的开关单元。
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，通过每一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1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步。
6.根据权利要求1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1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极。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态切换开关，其特征在于：在所述固态切换开关中还设置有人机交互单元，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：在所述人机交互单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1至7中任一项所述的固态切换开关，其特征在于：在所述每一组开关单元的两端分别并联有一个旁路开关。
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