CN105830187B - 具有真空开关室的双触点开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双触点开关，包括：管状的第一真空开关室和管状的第二真空开关室(1、3)；布置在第一真空开关室和第二真空开关室之间的固定电极(4)，其具有突出至第一真空开关室(1)的第一固定触点(41)和突出至第二真空开关室(3)中的第二固定触点(42)；布置在第一真空开关室(1)中并且能够在该室中沿轴向方向移动的第一电极(11)，其具有承载触点(12)并且从第一真空开关室(1)的外部以气密的方式密封的区域；布置在第二真空开关室(3)中并且能够在该室中沿轴向方向移动的第二电极(31)，其具有承载触点(32)并且从第二真空开关室(3)的外部以气密的方式密封的区域；第一触点压缩弹簧(51)，用于给可移动的第一电极(11)施加第一弹簧力以使得第一电极(11)的触点(12)被挤压在突出至第一真空开关室(1)的固定触点(41)上；第二触点压缩弹簧(52)，用于给可移动的第二电极(31)施加第二弹簧力以使得第二电极(31)的触点(32)被挤压在突出至第二真空开关室(3)的固定触点(42)上，其中，第一弹簧力小于第二弹簧力。

Description

具有真空开关室的双触点开关

技术领域

本发明涉及包括真空开关室的双触点开关和包括这种类型的双触点开关的混合开关装置。

背景技术

用于在开关装置中接通和切断高电流的传统开关原理通常包括双断触点配置，其经由以去电离室的形式的堆叠配置的挡板中的电弧导轨引导在其中产生的开关弧。在这些室中，电弧被冷却并且被分割成多个子弧，这与电弧电压的相应乘积有关。当达到驱动电压时，电弧被熄灭，因此电流被中断。当高的交流电被转换时，通常通过动态磁吹场帮助电弧的熄灭，动态磁吹场通过合适地定形开关设备中的电流导体来形成。相比之下，为了熄灭直流电，通常使用通常由永磁体配置产生的磁吹场。

与已经投入市场很久的传统AC开关装置不同，用于断开低频电流(例如16 2/3Hz)和直流电的相对较大的开关装置由于过零电流的周期的减小或缺少而经历相应地较高的负载。所得到的较长的电弧持续时间产生比在AC开关装置中的更高能量含量的开关电弧。这引起触点材料的增加的燃耗，并引起开关室内的相应地高热负载。这种类型的热负载会降低开关室中的绝缘能力。结果，开关装置的电寿命会减小。

用于减少开关装置上的由开关电弧引起的负载的一个选择是提供混合开关，其构成为并联的机电驱动机械触点配置和例如基于高功率IGBT(绝缘栅双极性晶体管)的功率半导体开关，例如在德国公开DE 10315982 A1所公开的。当接通时它具有高电阻，从而使得负载电流仅经由闭合的机械触点流动。在断开过程中，功率半导体被控制以使得它暂时具有低电阻，从而使得流过机械开关的电弧电流暂时地与并联的功率半导体开关连通；之后，其被控制为再次截止电流，使得连通至半导体的电流在那里以无电弧的方式被迅速地降为零。使用这种类型的混合配置，可以大大减小有效的电弧时间和由此在开关上的负载。

为了实现用于高电流的功率半导体开关的高电寿命和可接受尺寸，在断开过程中限制电流流动时间是有益的。在尤其用于高电流的气动开关配置中，它的缺陷是在开关过程中使用典型的机械桥式开关配置会发生一定量级的时间浮动，从而使得在功率半导体开关上仅具有暂时的电流负载的完全无电弧开关的实现具有实际困难。

通过使用真空开关室可以克服该缺陷。与在开关过程中开关电弧区域内的空气被部分电离的空气开关不同，在真空开关室中，当触点在负载条件下断开时，蒸发的触点材料的金属蒸气电弧在真空开关室中形成，并且在零电流情况下在几微秒内在真空室内部凝结，导致在没有可电离的气态氛围时开关路径的几乎瞬时再固结。

例如在德国公开DE 19902498 A1中所公开的真空开关室通常包括牢固地连接至开关室外壳并且在其内端部具有固定触点的连接电极，和具有滑动触点的对向电极，滑动触点可以在相对于固定电极的轴向方向上以真空密封方式在柔性金属波纹管上移动。例如从德国公开DE 38 11 833 A1和DE 101 57 140 A1以及美国专利说明书US 8,471,166 B1可以得知具有真空开关室的双触点开关。

日本实用新型JP S49 30856 U公开了一种包括真空开关室的双触点开关，包括

-以开关管筒的开关子室的形式的管状的第一真空开关室和管状的第二真空开关室，

-固定在所述开关管筒内并且布置在所述第一真空开关室和所述第二真空开关室之间的电极，其具有突出至所述第一真空开关室的第一固定触点和突出至所述第二真空开关室中的第二固定触点，

-布置在所述第一真空开关室中并且能够在其中沿轴向方向移动的第一电极，其具有第一承载触点并且从所述第一真空开关室的外部以气密的方式密封的区域，

-布置在所述第二真空开关室中并且能够在其中沿轴向方向移动的第二电极，其具有第二承载触点并且从所述第二真空开关室的外部以气密的方式密封的区域，

-第一触点压缩弹簧，用于给能够移动的第一电极施加第一弹簧力F1以使得所述第一电极的第一承载触点被挤压在突出至所述第一真空开关室的第一固定触点上，

-第二触点压缩弹簧，用于给能够移动的第二电极施加第二弹簧力F2以使得所述第二电极的第二承载触点被挤压在突出至所述第二真空开关室的第二固定触点上。

发明内容

本发明的目的在于提出一种特别适用于混合开关的包括真空开关室的双触点开关，即一种包括并联连接的机电驱动的机械触点配置和功率半导体开关的开关。

本发明的基本内容是提出一种包括真空开关室的双触点开关，其被形成为使得当流过开关的负载电流被切断时，两个触点对以相互的时间偏移量被断开。根据本发明，这通过如下实现：开关的两个可移动电极分别使用具有不同弹簧力的触点压缩弹簧被挤压在真空开关室中的固定触点上。当触点被断开时，由于不同的弹簧力，第一触点对在时间上在第二触点对之前被断开。结果，根据本发明的双触点开关特别适合用于混合开关，其中，功率半导体开关与在时间上首先断开的第一触点对并行地开关。当第一触点对被断开时，通过连接功率半导体开关可以防止在时间上首先断开的触点对之间形成电弧。通过在第一触点对的断开期间截止功率半导体开关，连通至功率半导体开关的负载电流可以降为零，特别地在第二触点对被断开之前。结果，负载电流可以几乎没有电弧形成地断开。

本发明的一个实施例涉及双触点开关，包括：管状的第一和第二真空开关室；布置在第一和第二真空开关室之间的固定电极，固定电极具有突出至第一真空开关室的第一固定触点和突出至第二真空开关室的第二固定触点；布置在第一真空开关室中并且能够在其中沿轴向方向移动的第一电极，其具有承载触点并且从第一真空开关室的外部以气密的方式密封的区域；布置在第二真空开关室中并且能够在其中沿轴向方向移动的第二电极，其具有承载触点并且从第二真空开关室的外部以气密的方式密封的区域；第一触点压缩弹簧，用于给能够移动的第一电极施加第一弹簧力以使得第一电极的触点被挤压在突出至第一真空开关室的固定触点上；第二触点压缩弹簧，用于给能够移动的第二电极施加第二弹簧力以使得第二电极的触点被挤压在突出至第二真空开关室的固定触点上，其中，第一弹簧力小于第二弹簧力。

真空开关室可以以尤其是旋转对称的圆柱形配置的开关管筒的开关子室的形式，开关子室特别的被形成为类似或相同。这种类型的开关管筒的优势为可以以相对较低的技术复杂度实现真空开关室。

开关管筒大约在其中心可以具有导电材料的间隔壁，间隔壁用于分隔两个真空开关室，并且在其两侧分别承载第一固定触点和第二固定触点，从而使得固定触点的端部表面面对相关真空开关室的内部和能够移动的第一或第二电极的承载触点的区域。

可替代地，开关管筒大约在其中心可以具有用于分隔两个真空开关室的间隔壁，其被形成为使得其用作双触点配置并且其触点表面包括导电和抗熔焊材料。

第一电极和第二电极的承载触点的区域可以分别通过柔性金属波纹管以气密的方式密封。

开关管筒可以在其两个端部分别具有封盖，并且每个金属波纹管在端部表面分别焊接至封盖中之一和能够移动的电极中之一，在每种情况下都经由***的真空密封焊接连接件焊接。

真空开关室可以被形成为多个室，多个室以气密的方式分隔或者部分互连以具有共享的真空。

对于与能够移动的第一和第二电极的电隔离，固定电极可以在其***端部表面以真空密封的方式连接至相关真空开关室，在每种情况下都使用环形绝缘环，环形绝缘环特别地由陶瓷材料构成。

本发明的另一实施例涉及一种混合开关装置，包括：第一和第二电端子；根据本发明并且如本文所述的双触点开关；开关驱动器，其包括用于在双触点开关的真空开关室的轴的方向上移动开关触点的机电驱动器；以及包括第一和第二端子的功率半导体开关；其中，双触点开关的能够移动的电极中的一个和功率半导体开关的第一端子连接至混合开关装置的第一电端子；其中，双触点开关的固定电极连接至功率半导体开关的第二端子；其中，双触点开关的能够移动的电极中的另一个电连接至开关驱动器的能够移动的部分。

可以结合附图所示的实施例从如下说明书得到本发明的另外的优势和可能的应用。

附图说明

在说明书、权利要求书、摘要和附图中，使用下文的附图标记列表中给出的术语和相关附图标记。

在附图中：

图1是根据本发明的包括真空开关室的双触点开关的实施例的立体截面视图；

图2是根据本发明的混合开关装置的实施例的方框图；以及

图3-5是根据本发明的包括真空开关室的双触点开关的另一实施例的截面视图。

具体实施方式

在如下说明书中，类似的功能相同和功能相关的元件可以采用类似的附图标记。在下文，仅通过示例给出绝对值，并且该绝对值不应当构成本发明的限制。

图1是包括具有旋转对称的圆柱形配置的真空开关管筒的双触点开关的纵向截面，其包括用于开关的机械触点10、30的两个单独的开关子室1、3，它们特别地具有类似或相同的构造。两个开关子室1、3可以被配置为完全分隔真空室，或者部分互连以使得它们具有共享的真空。

如图1所示，两个开关子室1和3在真空开关管筒的中心通过间隔壁分隔，间隔壁由导电材料构成并且相应地承载机械触点10和30的两个中心布置的固定开关触点41、42，固定开关触点41、42的端部表面分别面对开关室中之一的内部。

同样地，间隔壁可以被配置成其本身用作双触点配置的形状。在这种情况下，间隔壁的触点表面可以被配置为使得它由同时具有良好抗熔焊性能的低燃耗材料构成。在具有完全无电弧操作的混合接触器的使用中，低燃耗触点材料并非必须的；在这种情况下，具有良好的导电性和足够的抗熔焊性的材料是有利的。

通过可轴向移动的铜电极11、31来断开和闭合开关触点，(特别是具有足够的抗熔焊性和良好的导电性的)合适材料的机械触点10、30的开关触点12、32附接至铜电极11、31的内端部表面。承载开关触点的两个可移动电极11、31的区域分别从相关开关室的外部通过柔性金属波纹管13、33密封。每个金属波纹管13、33在端部表面特别地通过两个***的真空密封的焊接连接件焊接至相关电极11或31和封闭相关开关子室1、3的相关封盖14或34。

与两个可移动电极11、31相对的是以前述平板形状的开关室间隔壁的形式的共享的固定电极，其作为单独的部件沿其整个***表面连接至相关开关子室1、3的壁，或者优选地在***区域自身形成开关室壁43的一部分。

为了引导负载电流，固定电极4具有适当尺寸的足够的壁厚。为了与两个可移动电极11、31电隔离，固定电极4在其***端部表面43以真空密封的方式在相关开关室1、3的方向上连接至例如陶瓷材料的环形的绝缘环15、35。

在混合开关装置中，包括真空开关室的这种双触点开关(如图2所示)可以被包含为使得两个可移动电极中的一个(例如电极11)通过平面电连接件被牢固地连接至混合开关装置的电端子。真空开关管筒的固定电极4同样通过平面电连接件连接至混合开关设备以使得由此被连接的第一开关子室1的机械触点10被布置为与混合开关装置的功率半导体开关20电并联。第二可移动电极31通过另一平面电连接件连接至机电混合开关装置的可移动部分。第二开关子室3的机械触点30由此与功率半导体开关20和第一开关子室1的机械触点10的并联配置电串联。在开关动作时，混合开关装置的机电驱动器40提供可移动触点在开关管筒轴方向上的移动。通过开关电子器件50控制功率半导体开关20，开关电子器件50继而与机电驱动器40交换信号。开关电子器件50被配置为使得它们根据依赖于机电驱动器40的相应信号的双触点开关的开关状态控制功率半导体开关20的导通和截止的时间序列。

现在通过根据本发明的包括真空开关室的双触点开关的图3-5所示的不同开关状态描述在混合开关装置中包括真空开关室的双触点开关的功能。在此情况下，也参照图2的方框图，其示出混合开关装置的功能。

图3示出负载电流被导引时的双触点开关。在这种情况下，功率半导体开关20不被开关电子器件50驱动，并因此被完全截止，并且整个负载电流仅流过双触点开关的完全闭合的开关触点10、30。在此情况下，混合开关装置的磁驱动器40使得可移动开关管筒触点12、32在管的中心平压抵靠至与其相对的固定触点41、42。在这种情况下，针对每个触点对12、41和32、42的起作用的触点力F1、F2是施加在相应的真空室1或3上的大气压力和通过连接至相应的可移动电极11、31的触点压缩弹簧51或52传输至可移动开关触点12或32的附加力的和。

图4示出当断开负载电流时在机械开关过程的第一阶段的双触点开关的状态。当混合开关装置的机电驱动器40的磁驱动线圈的电源被切断时，引入运动过程，其中，经由可移动电极31给真空开关管筒传输力并且触点对12、41断开，同时触点对32、42最初仍保持闭合。这使得通过触点压缩弹簧51传输的弹簧力有可能小于由触点压缩弹簧52施加在触点对32、42上的弹簧力。在机械断开过程开始时，与开关子室1并联的功率半导体开关20已经完全被开关电子器件50控制，时间上在机械开关过程之前，已经通过机电驱动器40向开关电子器件50发出信号来断开磁驱动线圈的电源，从而使得一旦触电对12、41断开，整个负载电流就连通至功率半导体开关20，因此在这些机械触点之间不再产生真空电弧。在这种情况下，改进机械断开过程以使得由于触点压缩弹簧52的较高弹簧力，整个真空开关管筒在开关子室3的方向上移动，同时，固定连接至双触点开关的可移动电极11保持静止。当开关子室3的端部表面到达固定连接至双触点开关外壳56的机械止动件55时，实现下端的触点对12、41的完全断开。在这段时间期间，与功率半导体开关20连通的负载电流已经在开关电子器件50的控制下降为零，从而使得为了实现双触点开关中的可靠的电流阻断，真空开关管筒的第二触点对32、42最终也没有真空电弧地断开。在该阶段，功率半导体开关20已经再次被完全截止。

图5示出电流阻断过程的阶段。当到达机械止动件55时，开关管筒主体不再可能有相对于开关子室1的可移动电极11的进一步移动，因此混合开关装置的机电驱动器40的磁驱动器进一步施加在可移动电极31上的拉力现在仅有可能使触电对32、42断开。一旦磁驱动器在断开过程之后到达它的端部位置，就实现这些断开触点的完全断开。

本发明特别适合于高直流和低频电流的几乎无电弧的开关。可以几乎无燃耗的实施开关过程，使得开关的寿命增加。根据本发明的双触点开关可以用于接触器、功率开关和电机保护开关，特别适用于开关直流电流和低频电流。

附图标记

1 第一开关子室

10 第一开关子室的机械触点(断开触点)

11 第一开关子室的可移动电极

12 第一开关子室的可移动触点

13 第一开关子室的波纹管

14 第一开关子室的封盖

15 第一开关子室的绝缘环

20 功率半导体开关

3 第二开关子室

30 第二开关子室的机械触点(断开触点)

31 第二开关子室的可移动电极

32 第二开关子室的可移动触点

33 第二开关子室的波纹管

34 第二开关子室的封盖

35 第二开关子室的绝缘环

4 间隔壁/固定电极

40 机电驱动器

41 第一开关子室的固定触点

42 第二开关子室的固定触点

43 固定电极的开关室壁

50 开关电子器件

51 第一开关子室的触点压缩弹簧

52 第二开关子室的触点压缩弹簧

55 机械止动件

56 双触点开关外壳

Claims (12)

1.一种双触点开关，包括

-以开关管筒的开关子室的形式的管状的第一真空开关室(1)和管状的第二真空开关室(3)，

-固定在所述开关管筒内并且布置在所述第一真空开关室和所述第二真空开关室之间的电极(4)，其具有突出至所述第一真空开关室(1)的第一固定触点(41)和突出至所述第二真空开关室(3)中的第二固定触点(42)，

-布置在所述第一真空开关室(1)中并且能够在其中沿轴向方向移动的第一电极(11)，其具有承载第一触点(12)并且从所述第一真空开关室(1)的外部以气密的方式密封的区域，

-布置在所述第二真空开关室(3)中并且能够在其中沿轴向方向移动的第二电极(31)，其具有承载第二触点(32)并且从所述第二真空开关室(3)的外部以气密的方式密封的区域，

-第一触点压缩弹簧(51)，用于给能够移动的第一电极(11)施加第一弹簧力F1以使得所述第一电极(11)的第一触点(12)被挤压在突出至所述第一真空开关室(1)的第一固定触点(41)上，

-第二触点压缩弹簧(52)，用于给能够移动的第二电极(31)施加第二弹簧力F2以使得所述第二电极(31)的第二触点(32)被挤压在突出至所述第二真空开关室(3)的第二固定触点(42)上，

其特征在于，

-所述第一弹簧力F1小于所述第二弹簧力F2，

-所述开关管筒可移动地安装在所述双触点开关的外壳(56)内，以及

-能够移动的第一电极(11)固定地连接至所述双触点开关的外壳。

2.根据权利要求1所述的双触点开关，其特征在于，具有针对所述第二真空开关室(3)的端部表面的固定地连接至所述外壳(56)的机械止动件(55)。

3.根据权利要求2所述的双触点开关，其特征在于，所述第一触点压缩弹簧(51)传递的所述第一弹簧力F1小于来自所述第二触点压缩弹簧(52)的施加在第二触点(32)和第二固定触点(42)构成的触点对上的所述第二弹簧力F2，这使得，当在切断负载电流时在机械开关过程的第一阶段引入运动过程的情况下，通过第二电极(31)给所述开关管筒传输力并且该力引起所述第一电极(11)的第一触点(12)和第一固定触点(41)构成的触点对断开，同时，由第二触点(32)和第二固定触点(42)构成的触点对保持闭合，直到所述第二真空开关室(3)的端部表面到达所述机械止动件(55)，以及当到达所述机械止动件(55)时，所述开关管筒不再可能有相对于所述第一电极(11)的进一步移动，因此进一步施加在所述第二电极(31)上的拉力现在仅有可能使第二触点(32)和第二固定触点(42)构成的触点对断开。

4.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，所述第一真空开关室(1)和所述第二真空开关室(3)以开关管筒的开关子室的形式形成，所述开关管筒为旋转对称的圆柱形配置，所述第一真空开关室(1)的开关子室和所述第二真空开关室(3)的开关子室被形成为类似或相同。

5.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，所述开关管筒大约在其中心具有导电材料的间隔壁，所述间隔壁用于分隔第一真空开关室(1)和第二真空开关室(3)，并且在其两侧分别承载所述第一固定触点(41)和所述第二固定触点(42)，从而使得第一固定触点(41)和第二固定触点(42)的端部表面面对相关的第一真空开关室(1)和第二真空开关室(3)的内部和能够移动的所述第一电极(11)或第二电极(31)的承载第一触点(12)和第二触点(32)的区域。

6.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，所述开关管筒大约在其中心具有用于分隔第一真空开关室(1)和第二真空开关室(3)的间隔壁，其被形成为使得其用作双触点配置并且其触点表面包括导电和抗熔焊材料。

7.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，所述第一电极(11)和所述第二电极(31)的承载第一触点(12)和第二触点(32)的区域分别通过柔性金属波纹管(13、33)以气密的方式密封。

8.根据权利要求7所述的开关，其特征在于，所述开关管筒在其两个端部分别具有封盖(14、34)，并且每个金属波纹管分别在端部表面焊接至封盖中之一和能够移动的第一电极(11)和第二电极(31)中之一，在每种情况下都经由***的真空密封焊接连接件焊接。

9.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，所述第一真空开关室(1)和所述第二真空开关室(3)被形成为多个室，多个室以气密的方式分隔或者部分互连以具有共享的真空。

10.根据权利要求1、2或3所述的开关，其特征在于，对于与能够移动的所述第一电极(11)和所述第二电极(31)的电隔离，固定电极(4)在其***端部表面(43)以真空密封的方式连接至相关的第一真空开关室(1)和第二真空开关室(3)，在每种情况下都使用环形绝缘环。

11.根据权利要求10所述的开关，所述环形绝缘环由陶瓷材料构成。

12.一种混合开关装置，包括

-第一电端子和第二电端子，

-根据前述权利要求中任一项所述的双触点开关，

-开关驱动器，其包括用于在所述双触点开关的第一真空开关室(1)和第二真空开关室(3)的轴的方向上移动开关触点的机电驱动器(40)，以及

-功率半导体开关(20)，其与所述双触点开关的在时间上首先断开的第一触点(12)和第一固定触点(41)构成的触点对并联并且包括第一端子和第二端子，

-其中，所述双触点开关的能够移动的电极中的能够移动的第一电极(11)和所述功率半导体开关(20)的所述第一端子连接至所述混合开关装置的所述第一电端子，

-其中，所述双触点开关的固定电极(4)连接至所述功率半导体开关(20)的所述第二端子，

-其中，所述双触点开关的能够移动的电极中的能够移动的第二电极(31)电连接至所述开关驱动器的能够移动的部分。