CN103972871A - 一种低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法，采用基于绝缘栅极型功率管（IGBT）良好的动态特性，电磁式继电器良好的静态特性，实现对直流馈线供电回路的无弧分断，并针对直流馈线短路和电源过电压等故障状态，具有过电流及过电压自动分闸功能，保证了直流供电***在不同特性负载条件下的安全，适合***性气体或粉尘的工作环境，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法，属于电力供电技术领域。
背景技术
在电力技术行业中，为了提高***的可靠性，重要的电力***多采用交直流配合供电，在交流供电正常工作时，除对负荷供电外，同时对其***自带的蓄电池进行充电，在交流电源因故失电时，可以通过***自带的蓄电池***继续向负荷供电，极大提高了供用电***的可靠性。但是，因直流电没有过零点保护，在开关开合时极容易产生拉弧，在一些特殊的工作环境下，如有***性气体或粉尘的工作环境下的使用受到了很大的限制。随着半导体技术的不断发展，出现了基于绝缘栅极型功率管（IGBT）的开关，其主要特点是导通关断时间短，关断过程无电弧，且能关断大电流高电压，但是缺点是导通后发热大，并且关断后有一定的泄漏电流，虽然很小，但不能保证电源端和负载端的完全断开，抑制了其在直流电供电中的应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足及缺陷，本发明提供了一种低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法，采用基于绝缘栅极型功率管（IGBT）良好的动态特性，电磁式继电器良好的静态特性，实现对直流馈线供电回路的无弧分断，并针对直流馈线短路和电源过电压等故障状态，具有过电流及过电压自动分闸功能，保证了直流供电***的安全，具有良好的应用前景。
为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：包括单片机、直流无弧分合单元、直流电压传感器、直流电流传感器、第一能量吸收回路、第二能量吸收回路、能量泄放回路、第二电磁式磁保持继电器K2和第三电磁式磁保持继电器K3，
所述直流电压传感器并联在直流馈线上，并与单片机相连接；
所述直流电压传感器串联在直流馈线的负向端，并与单片机相连接；
所述直流馈线的负向端上还依次设有直流无弧分合单元、第二电磁式磁保持继电器K2，所述第二电磁式磁保持继电器K2的两端并联有第一能量吸收回路，所述直流无弧分合单元与第二电磁式磁保持继电器K2的控制端分别与单片机相连接；
所述直流馈线的正向端上设有第三电磁式磁保持继电器K3，所述第三电磁式磁保持继电器K3的两端并联有第二能量吸收回路，所述第三电磁式磁保持继电器K3的控制端与单片机相连接；
所述能量泄放回路位于第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的后端为能量泄放回路，所述能量泄放回路并联在直流馈线上，所述能量泄放回路的两端连接有负载。
前述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述直流无弧分合单元包括IGBT和第一电磁式磁保持继电器K1，所述IGBT并联在第一电磁式磁保持继电器K1两端的触点上。
前述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述单片机为片内集成AD的低功耗单片机。
前述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述能量泄放回路包括大功率续流二极管、发光二极管、电阻、和反向截止二极管，所述电阻、发光二极管、反向截止二极管相串联，并与大功率续流二极管相并联。
基于上述的低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法，其特征在于：
步骤（1），通过直流电压传感器、直流电流传感器采集直流馈线上的电压、电流数据；
步骤（2），单片机实时监测电压、电流数据及上位机发送的开关断开控制信号，若电压、电流数据超过设定的阈值或者接收到开关断开控制信号时，则执行步骤（3）-步骤（4）进行分闸；若接收到开关合闸控制信号时，则执行步骤（5）-步骤（6）进行合闸；
步骤（3），单片机驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点断开，并驱动IGBT关断；
步骤（4），驱动IGBT关断经短暂延时后，单片机分别控制第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开，实现直无弧分闸；
步骤（5），单片机驱动第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点闭合，驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合，以保证在第一电磁式磁保持继电器K1触点的过程中不会出现拉弧现象，在IGBT关断后馈线回路能可靠供电；
步骤（6），在第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合后，单片机驱动IGBT关断，实现直无弧合闸。
前述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法，其特征在于：步骤（4）或步骤（5）所述第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开或闭合时，泄露电流向对应的能量吸收回路充电，保证第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3触点分合的过程中不会产生电弧。
本发明的有益效果是：本发明的低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法，采用基于绝缘栅极型功率管（IGBT）良好的动态特性，电磁式继电器良好的静态特性，实现对直流馈线供电回路的无弧分断，并针对直流馈线短路和电源过电压等故障状态，具有过电流及过电压自动分闸功能，保证了直流供电***的安全，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关的结构示意图。
图2是本发明的低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，采用基于绝缘栅极型功率管（IGBT）良好的动态特性，电磁式继电器良好的静态特性，实现对直流馈线供电回路的无弧分断，并针对直流馈线短路和电源过电压等故障状态，具有过电流及过电压自动分闸功能，保证了直流供电***的安全，如图1所示，包括单片机、直流无弧分合单元、直流电压传感器、直流电流传感器、第一能量吸收回路、第二能量吸收回路、能量泄放回路、第二电磁式磁保持继电器K2和第三电磁式磁保持继电器K3，
所述能量泄放回路用于在无弧开关分闸时吸收由于电源失电，负载容抗或感抗引起的过电压以及过电流；
所述第一、第二能量吸收回路用于在第二电磁式磁保持继电器K2和第三电磁式磁保持继电器K3触点分合的时候，吸收IGBT关断状态下的泄漏电流，保证开关的分合过程中均无电弧的产生；
所述单片机为片内集成AD的低功耗单片机；
所述直流电压传感器并联在直流馈线上，并与单片机相连接；
所述直流电压传感器串联在直流馈线的负向端，并与单片机相连接；
所述直流馈线的负向端上还依次设有直流无弧分合单元、第二电磁式磁保持继电器K2，所述第二电磁式磁保持继电器K2的两端并联有第一能量吸收回路，所述直流无弧分合单元与第二电磁式磁保持继电器K2的控制端分别与单片机相连接；
所述直流馈线的正向端上设有第三电磁式磁保持继电器K3，所述第三电磁式磁保持继电器K3的两端并联有第二能量吸收回路，所述第三电磁式磁保持继电器K3的控制端与单片机相连接；
所述能量泄放回路位于第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的后端为能量泄放回路，所述能量泄放回路并联在直流馈线上，所述能量泄放回路的两端连接有负载；
所述直流无弧分合单元包括IGBT和第一电磁式磁保持继电器K1，所述IGBT并联在第一电磁式磁保持继电器K1两端的触点上；
所述能量泄放回路包括大功率续流二极管、发光二极管、电阻、和反向截止二极管，所述电阻、发光二极管、反向截止二极管相串联，并与大功率续流二极管相并联，在关断容性负载时，残留电荷由发光二极管、限流电阻、反向截止二极管串联回路实现电场能量的泄放，同时在正常工作时，发光二极管点亮起到直观的无弧开关分合状态的监视，在关断感性负载时，产生的过电压由大功率续流管导通，负载本身实现磁场能的泄放。
第一电磁式磁保持继电器K1、第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3，因为只在正常工作时通过负荷电流以及在故障时短时通过故障电流，且由于IGBT及两路能量吸收回路的存在，不需要通过继电器触点断弧，因而可以采用小型快速继电器，加速无弧开关的动作速度并减小无弧开关的体积。
如图2所示，基于上述的低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法，
步骤（1），通过直流电压传感器、直流电流传感器采集直流馈线上的电压、电流数据；
步骤（2），单片机实时监测电压、电流数据及上位机发送的开关断开控制信号，若电压、电流数据超过设定的阈值或者接收到开关断开控制信号时，则执行步骤（3）-步骤（4）进行分闸；若接收到开关合闸控制信号时，则执行步骤（5）-步骤（6）进行合闸；
步骤（3），单片机驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点断开，并驱动IGBT关断；
步骤（4），在驱动IGBT关断后，单片机分别控制第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开，实现直无弧分闸；
步骤（5），单片机驱动第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点闭合，驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合，以保证在第一电磁式磁保持继电器K1触点的过程中不会出现拉弧现象，在IGBT关断后馈线回路能可靠供电；
步骤（6），在第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合后，单片机驱动IGBT关断，实现直无弧合闸。
其中，步骤（4）或步骤（5）第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开或闭合时，泄漏电流向对应的能量吸收回路充电，保证第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3触点分合的过程中不会产生电弧，能量吸收回路由电阻串联一个电容组成，正常工作时被第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点短接，对供电回路无任何影响，在绝缘栅极型功率管（IGBT）关断后，单片机控制第二电磁式磁保持继电器K2或者第三电磁式磁保持继电器K3触点分合的过程中，通过电容吸收IGBT泄漏的小电流，保证继电器触点可靠无弧分合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：包括单片机、直流无弧分合单元、直流电压传感器、直流电流传感器、第一能量吸收回路、第二能量吸收回路、能量泄放回路、第二电磁式磁保持继电器K2和第三电磁式磁保持继电器K3，
所述直流电压传感器并联在直流馈线上，并与单片机相连接；
所述直流电压传感器串联在直流馈线的负向端，并与单片机相连接；
所述直流馈线的负向端上还依次设有直流无弧分合单元、第二电磁式磁保持继电器K2，所述第二电磁式磁保持继电器K2的两端并联有第一能量吸收回路，所述直流无弧分合单元与第二电磁式磁保持继电器K2的控制端分别与单片机相连接；
所述直流馈线的正向端上设有第三电磁式磁保持继电器K3，所述第三电磁式磁保持继电器K3的两端并联有第二能量吸收回路，所述第三电磁式磁保持继电器K3的控制端与单片机相连接；
所述能量泄放回路位于第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的后端为能量泄放回路，所述能量泄放回路并联在直流馈线上，所述能量泄放回路的两端连接有负载。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述直流无弧分合单元包括IGBT和第一电磁式磁保持继电器K1，所述IGBT并联在第一电磁式磁保持继电器K1两端的触点上。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述单片机为片内集成AD的低功耗单片机。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关，其特征在于：所述能量泄放回路包括大功率续流二极管、发光二极管、电阻、和反向截止二极管，所述电阻、发光二极管、反向截止二极管相串联，并与大功率续流二极管相并联。
5.基于权利要求1所述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法，其特征在于：
步骤（1），通过直流电压传感器、直流电流传感器采集直流馈线上的电压、电流数据；
步骤（2），单片机实时监测电压、电流数据及上位机发送的开关断开控制信号，若电压、电流数据超过设定的阈值或者接收到开关断开控制信号时，则执行步骤（3）-步骤（4）进行分闸；若接收到开关合闸控制信号时，则执行步骤（5）-步骤（6）进行合闸；
步骤（3），单片机驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点断开，并驱动IGBT关断；
步骤（4），驱动IGBT关断经短暂延时后，单片机分别控制第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开，实现直无弧分闸；
步骤（5），单片机驱动第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点闭合，驱动IGBT导通，在IGBT导通后，控制第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合；
步骤（6），在第一电磁式磁保持继电器K1的触点闭合后，单片机驱动IGBT关断，实现直无弧合闸。
6.根据权利要求5所述的一种低功耗带过流过压保护的直流馈线无弧开关的实现方法，其特征在于：步骤（4）或步骤（5）所述第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3的触点断开或闭合时，泄漏电流向对应的能量吸收回路充电，保证第二电磁式磁保持继电器K2、第三电磁式磁保持继电器K3触点分合的过程中不会产生电弧。
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