CN105378879A - 用于电路的混合截止部件 - Google Patents

Abstract

本发明由用于电路的混合断续器部件(100；500)组成，该断续器部件包括静态断续器组件(101；501)和机电断续器组件，该断续器部件的特征在于：静态组件(101；501)安装在承载该静态组件的电接触(111,112；511,512)的支架(110；510)上，所述支架(110；510)被配置为在接收到阻断命令时以使得所述电接触(111,112；511,512)的至少一个以从它们各自的引脚缩回这样的方式移动，从而形成所述机电断续器组件。

Description

用于电路的混合截止部件

技术领域

本发明涉及电气设备领域，尤其是用于高电压直流电(HVDC)电网的设备，例如在诸如飞机或直升机之类的飞行器所机载的可以找到的设备，以及也用于交流电(AC)电网的设备。更具体而言，本发明涉及通常具有电路保护功能的断续器和/或开关部件(断路器)。这些部件可以与直流电(DC)或与经脉宽调制(PWM)的DC或与AC一起使用。

在此领域中，接触器的机电断续器和开关部件或断路器类型是公知的。这样的部件是相对慢的，并且另外由于当打开电路时在它们的接触上形成的电弧，它们会受到腐蚀而磨损。

静态接触器和断路器也是公知地可被称为固态功率控制器(SSPC)。这些组件有时可以取代传统的机电部件，并且它们是基于半导体材料结构的。由于它们可以在几个微秒内阻断或建立电流，因此与几个毫秒的机电部件相比，它们要快得多。而且，接触材料的缺失以及电弧形成的缺失意味着磨损更加缓慢地发生。最后，它们可以执行更加精细化的电气功能，例如根据要保护的电路中的电流变化或根据调节电压或电流遵循用于触发的曲线。并且自然地，它们在重量上更轻，这在航空领域非常重要，并且它们消耗较少的能量，这也是相当大的优势。即使当通过电流时它们的电阻有时相当高，但还存在呈现出较低电阻的半导体材料(诸如SiC)，并且因此与主电路中存在的电压是可能兼容的。

不幸地是，静态组件几乎没有呈现出提供电绝缘的任何能力，这在高电压电路以及高电流电路中提高了难度。目前，它们因此在飞行器中被限于功耗不是太大的某些次要电路。

已经提出了将机电系统与静态组件并行和串行地关联的提议，但目前，这些已被提出的解决方案是麻烦、笨拙和难以控制的。

发明的定义以及相关联的优点

为了解决上述困难，提供了一种用于电路的混合断续器部件，该断续器部件包括静态断续器组件和机电断续器组件，静态组件安装在承载该静态组件的电接触的支架上，所述支架被配置为在接收到阻断命令时以使得其两个电接触以从它们各自的引脚缩回这样的方式移动，从而形成所述机电断续器组件。

这样的部件特别易于集成到电路中，并且其静态和机电组件可以以共同的、集中化方式被管理它们使得省略保险丝并由此有较低的阻抗，编程适合于将要遇到的危险情形的阻断顺序以及甚至例如为了排除故障来管理电路和网络重新配置成为可能。

在一个实施例中，支架被配置为转动移动，这样使得设计紧凑且对外部条件(尤其是对倾斜角)相对不敏感的部件成为可能。

在另一个实施例中，支架被配置为平移移动，这样使得设计能够阻断高电流而没有阻止其正确工作的接触磨损的部件成为可能。在这个实施例中，为了避免弹起因而避免次要电弧形成，减振支架的移动是有利的。

系统还可以包括消电弧系统，其可能基于由磁铁极化的弧控腔室，并且可选地使用具有高介电强度或在真空中消散的气体。

已经提出静态组件被配置(或控制)为阻断标称电流或低电流，同时机电断续器组件被配置(或控制)为阻断短路或过载电流并提供电绝缘。

具体地，提出了一种针对短路电流的阻断顺序，在该顺序期间，在机电打开后的等待时间之后致动静态组件，从而允许在使用该静态组件之前将阻断能量的一部分在电弧中消散，因而静态组件的尺寸可以很小。然而，该顺序使得高电流被非常快地阻断。

还提出了一种针对标称电流或低电流的阻断顺序，其中在机电打开之前致动静态组件，从而允许阻断被非常快执行，同时一旦电路开路也获得有效的电绝缘。

本发明还提供了包括如所述的断续器组件的DC或AC电路。

在这样的情况下，支架在对应于两种不同的电路配置的两个接触位置之间移动。

本发明还提供了包括所述电路的用于飞行器的DC或AC电网，所述断续器部件被安置在电网的主电路中或电网的次要电路中。

附图列表

图1示出了旨在用于飞行器电网的体系结构。

图2示出本发明的混合断续器部件在其电流通过位置中的实施例。

图3示出同一断续器部件，但是其被致动。

图4示出利用了如图2和3所示的实施例的飞行器电网的体系结构。

图5示出本发明的混合断续器部件的第二实施例。

图6示出使用如图5所示的实施例以及使用该断续器部件来重新配置飞行器电网的电网体系结构。

图7示出了图3和4的用于重新配置图4和6的电网的断续器部件。

以下将参考附图来描述本发明，所述附图是出于说明而非限制的目的给出的。

详细描述

图1示出了用于飞行器电网的体系结构。它涉及传递230伏(V)AC电压的发电机10，以及保护所述电路下游(即最初的AC/DC转换器30)的主断路器20。该转换器将AC电压转换成例如在270V的DC电压。随后，该电压被分配到用于对三个负载51、52和53供电的三个并联电路。这些负载的每个由静态组件类型的一个断续器部件41、42或43以及与该断续器部件41、42或43串联的保险丝46、47或48来保护。这样的体系结构是基于正常操作，在正常操作期间静态组件保护对应的负载，但预备了保险丝以便倘若静态组件发生故障就提供隔离从而将故障(负载)与电网的剩余部分隔离开。

这样的体系结构具有集成化设计的优点，因为保险丝可以与静态组件位于同一印刷电路上，然而它隐含了由于保险丝的电阻而使得线路阻抗增加，以及如果短路电流接近标称电流触发就缓慢或不存在的风险。而且，如果保险丝被调用起作用，随后就需要介入以通过替换保险丝让电路回到工作中。

参考图1的电网描述本发明，该电网是DC电网，但它也适用于AC电网。

图2示出类似于参考图1所描述的部件的集成断续器部件100，但该部件解决了上述的难点。

静态组件101被放置在平面矩形支架110上，该支架在其两端具有用于将电流通过该静态组件101的电接触111和112。所述接触111和112适用于插入到电路的上游引脚121和下游引脚122中，在该电路中将插入了截止部件。这些引脚执行电接触功能，但接触111和112的插入是可逆的，这样，一起构成集成的断续器部件100的静态组件和其支架可以被插入到电路内或从中拔出。

一般而言，静态组件101是诸如晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组件或绝缘栅双极性晶体管(IGBT)之类的半导体开关组件，并且优选地出于保护的目的将其封装。

致动器130，例如电磁铁，用作使得支架110在一个方向或另一方向上围绕在其自身平面中的其中心点转动，从而将静态组件插入或拔出所述电路。致动器130依据测量的电流或电压接收命令。

围绕旋转轴相对于引脚121和122成90°角地定位的两个电极141和142用于在静态组件已经旋转通过90°之后接收电接触111和112，并且如果这些电极被连接到电路，它们用于执行电路切换，如参考图8所述。在电极121和122与电极141和142的每个之间，存在安装的弧控腔室151、152、153和154，例如具有断续器引脚和用于消除电弧的气体混合物(例如分子氮(N₂))的腔室。也可能使用使用具有高介电强度或在真空中消除电弧的气体的系统。

当致动机电部分时如果电流还是在流动，在弧控腔室内电弧被触发、爆发和分解，通过该弧控腔室，接触111和112在它们被从电极121和122拔出之后被移动。

较佳地，使用经极化的弧控腔室，这样，电弧爆发的速度可以足够快，从而具有增加电流被阻断的效率的结果。

在图3中示出了极化，其示出与静态组件101的支架110的平面垂直的，即也与枢轴平面垂直，的磁场。磁场B1被明确示出在电极121和142之间的弧控腔室151中，而磁场B2被示出在电极141和122之间的弧控腔室153中。场B1和B2在相互相对的方向中。如箭头i1和i2所示，电流通过接触121到达。

该图也示出了当打开断续器部件的机电部分时支架110的移动。接触111从电极121移向电极142，并且接触112从电极122移向电极141。电弧在接触111和电极121之间以及在接触112和电极122之间出现。作为弧控腔室151和153正被极化的结果并且也因为金属片引脚，这些电弧在腔室中爆发和分解。箭头161和162示出了两个电弧爆发的动作和方向的线路，即朝着设备的外面。

在机电部分被激活的时刻电流仍然在通过的这样的情形被有利地用于阻断高电流，例如短路电流或超出阈值的量级的电流，或具有非常高的派生的电流。类似地，如果弧控腔室在分解电弧方面是有效的就应用这种策略，所述有效性取决于弧控腔室的特性和电流的量级。

在这种情况下，提出依据发送给致动器130的命令来致动机电部分，从而引起图3中所示的移动。此后，过了一会，命令被发送给静态组件101，以便它也阻断电流流动。

物理上，所述顺序涉及创建如图3所示的电弧，具有随着弧控腔室执行其功能的效率的增加而增加的电弧电压。随后，发电机10所提供的功率P在电弧中被部分或完全地消散，并且，电流的量级服从关系I＝P/U，其中U是电弧电压，其电压由弧控腔室最大化。这样，假如静态组件101未被致动，就获得了迅速减少从而在一毫秒内就消失的电流。然而，本发明提出例如在100微秒(μs)或400μs之后根据所涉及的电功率来致动静态组件101。这样的顺序使得在不引起电接触121、111、122和112的高级别腐蚀的情况下就消散电弧中的一部分电能成为可能。这也使得定制其仅能够阻断有限量级的电流的静态组件101成为可能，进而使得保持设备紧凑也成为可能。最后，与传统的机电部件相比，总的阻断时间是短的，因为它可能在通常用传统的机电设备获得的阻断时间和用如在此所述的混合部件以及使用所述特定的顺序获得的时间之间获得10倍因子。

而且，必要时，提出改动该顺序以匹配静态组件的热状态。

然而，在图2中所示的集成断续器部件100还可以被用于阻断标称电流或非常小量级的电流。在这样的情况下，使用相反顺序来控制设备，因为对于这样的电流，弧控腔室将是少许有效且最终的阻断时间将很长。这样，控制通过激活静态组件101开始，并且随后激活系统的机电部分，以便提供电路的物理断开。静态组件101使得获得非常短的阻断时间成为可能。当给定它仅需要阻断低电流时就不需要将其尺寸定制得过于笨重。

图4示出了在其中插入了断续器设备100的飞行器电路。可以再次看见在图1中示出的大多数部件，然而，保险丝和静态组件对41&46、42&47以及43&48被相应的混合断续器设备100取代。这些设备可以被插入或拔出的事实由双头箭头表示。第一个混合断续器设备在其开关位置被示出，因为其接触被断开并且支架转过90°。

上述的混合断续器部件100是基于绕轴转动的支架110。有利的是，它可以被设计得紧凑并且在许多条件和定向中以可靠的方式工作。

图5示出了本发明的另一个实施例，这次基于平移移动的支架510。这是一种混合断续器部件500。

以与参考图2描述的方式非常相似的方式，静态组件501被放置在平面矩形支架510上，该支架在其两端具有电接触511和512以便允许电流通过该静态组件501。其连接511和512被电学地放置为与电路的上游和下游连接521和522接触，在该电路中将插入断续器部件。接触111和112的插入是可逆的。

致动器530，例如电磁铁，用作垂直于连接521和522的线路(即垂直于接触511和512的线路)平移移动支架510，因而引起静态组件电气地被连接或断开。致动器依据测量的电流和/或电压接收命令。弹簧531和532用作使得机电系统的打开和闭合有弹性以避免电接触弹起，这可能具有触发次要电弧的缺陷。所述设备较佳地即相对在下游方向依次跟随的弹簧531、支架510以及弹簧532被垂直定位。

相对于引脚521和522在与平移移动的轴平行的某个距离处定位的两个电极541和542用作在静态组件与其支架一起平移移动之后接收电接触511和512，并且如果这些电极被连接到电路，它们用于执行电路开关，如下参考图7所述。在电极521和541与电极522和542之间，存在安装的弧控腔室551和552(例如包括断续器引脚)连同促进电弧的消散的气体混合物。电弧爆发系统类似于如上所述的系统。其涉及借助于在腔室551和552中的相反动作的磁场B1和B2进行极化，以便朝断续器部件500之外爆发电弧。在假设电极541和542的支架510朝向电极521和522移动的示例中示出该电弧。由箭头i1、i2表示电流流动方向，而由箭头561和562表示爆发力。

基于平移移动的系统的该实施例对于阻断高电流特别有利，因为在接触和电极511、512、521、522、541和542的表面变得降级的情况下，继续确保了接触功能并且平移移动继续是可能的。因此，该系统是特别稳健的，即使是针对高功率。

图6示出了使用断续器部件500的电路重新配置的示例。可以再次看见在图1的电路的大多数部件，然而，保险丝和静态组件对41&46、42&47以及43&48被相应的混合断续器设备500取代。

假设控制保护负载51的断续器部件的控制部件故障(由闪电符号表示故障)来执行所描述的重新配置。随后，通过使用部件的机电部分来移开断续器部件。如果负载51是必须确保服务连续性的优先系统，则与负载52不一样的是，随后出于对负载51进行供电和保护的目的来选择保护负载52的断续器部件。这通过将负载52的断续器部件平移移动离开电极521和522来执行，这些电极被放置以将电馈送给负载52，在紧急的情况下移向电极541和542，这些电极被放置以将电馈送给负载51。

图7示出了非常类似于图6的示例的另一个电路重新配置的示例，但其使用通过转动工作的混合断续器部件100。再次，负载51被认为是优先负载，但其断续器部件发生故障。通过被转动，其被移出电路，并且随后对负载52供电的断续器部件也被转动，这样在紧急情况下，它不再与安置用于对负载52供电的电极121和122接触，而是与安置用于对负载51供电的电极141和142接触。

在图6和7中示出的电网重新配置用作增加系统的可靠性。它们可以在次要电网中实现，但在给予断续器部件被描述为阻断高电流的能力时，它们也可以在主要网络中实现。

本发明不局限于所示出的实施例。具体地，为了应用本发明的原理，并不是绝对需要移动承载静态断续器组件的支架的这两个接触。这样，涉及围绕通过两个接触之一放置的轴转动的系统也可以执行所述的功能，它使用三个电极而不是四个。

Claims (14)

1.一种用于电路的混合断续器部件(100；500)，所述断续器部件包括静态断续器组件(101；501)和机电断续器组件，所述静态组件(101；501)安装在承载所述静态组件的电接触(111,112；511,512)的支架(110；510)上，所述支架(110；510)被配置为在接收到阻断命令时以使得所述电接触(111,112；511,512)的至少一个以从它们各自的引脚缩回这样的方式移动，从而形成所述机电断续器组件，所述断续器部件的特征在于所述支架(110；510)被配置为移动以便于将其两个电接触从它们各自的引脚缩回。

2.如权利要求1所述的混合断续器部件(100)，其特征在于，所述支架被配置为转动移动。

3.如权利要求1或2所述的混合断续器部件(500)，其特征在于，所述支架被配置为平移移动。

4.如权利要求3所述的混合断续器部件，其特征在于，所述支架的移动被减振以避免弹起。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的混合断续器部件，其特征在于，还包括消电弧系统(151-154；551-552)。

6.如权利要求5所述的混合断续器部件，其特征在于，所述消电弧系统包括由磁铁极化的电弧控制腔室。

7.如权利要求5或6所述的混合断续器部件，其特征在于，所述消电弧系统使用具有高介电强度或在真空中消散的气体。

8.如权利要求1到7中的任一项所述的混合断续器部件，其特征在于，所述静态组件被配置为阻断标称电流或低电流，同时所述机电断续器组件被配置为阻断短路电流或过载电流并提供电绝缘。

9.以用于短路电流的阻断顺序控制如权利要求1到8中的任一项所述的混合断续器部件，在此期间在机电打开后的等待时间之后致动所述静态组件，从而允许阻断能量的部分在电弧中消散。

10.以用于标称或低电流的阻断顺序控制如权利要求1到9中的任一项所述的混合断续器部件，其中所述静态组件在机电打开之前被致动。

11.一种DC电路，包括如权利要求1所述的断续器部件。

12.一种AC电路，包括如权利要求1所述的断续器部件。

13.如权利要求11或12所述的电路，其特征在于，所述支架在对应于两种不同的电路配置的两个接触位置之间移动。

14.一种飞行器电网，包括如权利要求-13任一权利要求所述的电路，所述断续器部件被放置在电网的主要电路中或电网的次要电路中。