技术领域
[0001] 本
发明涉及
低电压开关装置的技术领域，例如
电路断路器、切断开关、
接触器等。
[0002] 更特别是，本发明涉及一种具有开关单元的开关装置，该开关单元包括一个或多个固态开关。
背景技术
[0003] 对于本发明，术语“低电压”涉及低于1kV AC和1.5kV DC的电压。
[0004] 已经知道，低电压开关装置用于电路或
电网中，以便能够正确操作这些电路或电网的具体部件。
[0005] 例如，低电压开关装置保证多个公用设备所需的额定
电流的可获得性，使得电负载能够合适地插入和切断，保护(特别是通过电路断路器)电网和安装于其中的电负载防止故障事件(例如过载和
短路)。
[0006] 在市场上可获得用于上述开关装置的多种工业方案。
[0007] 通常的机电开关装置大致有
外壳，该外壳容纳一个或多个
电极。
[0008] 各电极包括一对可分离的触点，以便切断和传导电流。
[0009] 驱动机构使得活动触点在第一闭合
位置和第二断开位置之间运动，在该第一闭合位置中，它们与相应固定触点连接，在该第二断开位置中，它们与相应固定触点分离。
[0010] 在闭合位置，良好设计的触点导致相当低的功率损失，而在断开位置中，它们提供了在电连接上游和下游的电极部分之间的电流(电)隔离，只要它们的相互物理分离大于最小值。
[0011] 这样的电流隔离在普通实践中非常重要，因为它能够安全地在电路(开关装置插入该电路中)上进行修理和维护工作。
[0012] 尽管已经证明这样的普通开关装置非常坚固和可靠，但是在直流电(“DC”)用途中和主要在相对较高电压(高达1500V)时，中断时间可能相当长，因此，
电弧(该电弧通常在分离情况下在机械触点之间放电)可能持续相对较长时间。因此可能产生严重的触点磨损，从而明显降低电气耐久性，即降低开关装置能够执行的开关操作数目。
[0013] 为了解决这样的问题，已经设计了所谓的固态电路断路器(“SSCB”)，该固态电路断路器对于各电极都采用一个或多个固态开关用于电流断路目的。
[0014] 通常，固态开关是基于
半导体的开关装置，它能够在on(开)状态和off(关)状态之间转换。
[0015] SSCB的主要优点在于，因为它们的无电弧断路操作，它们具有潜在的无限电气耐久性。
[0016] 而且，与机电开关装置的中断时间相比，它们的中断时间明显更短。
[0017] 另一方面，当固态开关处于on状态时，SSCB通常需要强化冷却，以便除去由流过固态开关的电流产生的热量。
[0018] 甚至更相关的缺点在于SSCB不适合提供在电极的上游和下游连接部分之间的电流隔离。
[0019] 实际上，即使当固态开关处于off状态时，也有很小电流(
泄漏电流)流过固态开关。
[0020] 为了减轻这些问题，已经发展了混合方案，其中，对于各电极，普通的机电开关与电极的固态开关并联和/或
串联地电连接。
[0021] 混合SSCB已经证明在它们的操作中相当可靠和有效，但是它们也受到一些
缺陷的影响。
[0022] 通常，它们相对庞大，很难在现场安装。
[0023] 而且，它们具有相对复杂的结构布局，该结构布局以工业
水平来实现时通常昂贵。
[0024] 另外，固态开关和机电开关的操作必须根据非常精确的时序和严格的正时来管理。
[0025] 因此，在市场上还要求能够至少部分解决上述缺陷的技术方案。
发明内容
[0026] 为了响应该需要，本发明提供了一种开关装置。
附图说明
[0027] 通过对优选但不排他的
实施例的说明，将更清楚本发明的其它特征和优点，该实施例只是通过实例来示例说明，而不是限定于附图中，且附图中：
[0028] 图1、1A、2-6、6A示意表示了根据本发明的开关装置的实施例的不同视图；
[0029] 图7-10示意表示了根据本发明的开关装置的另一实施例的不同视图；
[0030] 图11-15示意表示了根据本发明的开关装置的致动装置的可能实施例的不同视图；
[0031] 图16-17示意表示了图1的开关装置处于不同的工作位置中；其中
[0032] 图18示意表示了根据本发明的开关装置的控制单元的可能实施例。
具体实施方式
[0033] 参考所述附图，在第一方面，本发明涉及一种用于LV电路的开关装置1，例如LV电路断路器、切断开关、接触器等。
[0034] 开关装置1包括开关单元2，该开关单元2包括外壳29，该外壳29容纳一个或多个电极2A、2B。
[0035] 开关单元2的电极的数目可以根据需要而变化。例如，在图1、1A、2-6、6A所示的实施例中，开关单元2包括单个电极2A，而在图7-10所示的实施例中，开关单元2包括两个电极2A、2B。
[0036] 对于各电极，开关单元2包括第一切断触点21和第二切断触点22，它们布置在外壁上。
[0037] 特别是，开关单元2包括：前壁和后壁24、25，该前壁和后壁24、25彼此相对；
侧壁26、27，该侧壁26、27彼此相对，并与壁24、25基本垂直；以及上壁和下壁26A、27A，该上壁和下壁26A、27A彼此相对并与壁24、25、26、27基本垂直。
[0038] 在开关装置1的通常的操作位置，壁24、25、26、27的方向相对于地面垂直，而上壁和下壁26A、27A水平定向。
[0039] 切断触点21、22优选是布置在后壁25上。
[0040] 优选是，切断触点21、22为插座/插头类型。如所述图中所示，它们可以是从开关单元2的后壁25凸出的插头触点。
[0041] 对于各电极，开关单元2包括一个或多个固态开关20，该固态开关20优选是基于半导体的开关装置，例如功率MOSFET、
绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)、栅关闭可控
硅整流器(GTO)、集成栅转换可控硅整流器(IGCT)等。
[0042] 如所述图中所示，对于各电极，开关单元2可以包括多个固态开关20，该固态开关20可以根据需要而串联或并联地电连接。
[0043] 在本发明的其它实施例中，开关单元2可以包括用于各电极的单个固态开关装置20。
[0044] 优选是，对于各电极，开关单元2包括通气组280，该通气组280包括合适布置的通气装置28，该通气装置28与固态开关20操作相连，以便保证合适地除去在这些固态开关20操作时产生的热量。
[0045] 各电极的固态开关20与第一和第二切断触点21、22串联地电连接，并
定位在第一和第二切断触点21、22之间，这样，它们能够通过开关单元2的电极来切断/传导相电流。
[0046] 固态开关20能够在on状态和off状态之间转换，在on状态中，它们允许相电流流过相关电极，在off状态中，它们切断相电流，反之亦然。
[0047] 开关装置1包括支承
框架5，对于开关单元2的各电极，该支承框架5包括第三切断触点51和第四切断触点52，该第三切断触点51和第四切断触点52布置在支承框架5的支承壁50上。
[0048]
电触点51、52布置成用于与相应电触点21、22连接/分离。
[0049] 优选是，它们为插座/插头类型。如所述图中所示，它们可以是插座触点，该插座触点布置在获得于支承壁50上的合适座上，在该支承壁50的侧部501处。
[0050] 优选是，支承框架5有：两个侧壁53、54，它在这两个侧壁53、54处与固定支承件(未示出)牢固连接；以及横向支承壁50，该横向支承壁50定位在侧壁53、54之间，并与该侧壁53、54基本垂直。另一横向增强壁57可以垂直地布置在侧壁53、54之间。
[0051] 在开关装置1的正常工作位置中，壁50、53、54定向成相对于地面垂直，而增强壁57水平定向。
[0052] 优选是，支承壁50有：前侧部501，该前侧部501朝向开关单元2的外壁，特别是后壁25；以及相对的后侧部502。切断触点51、52布置在前侧部501处。
[0053] 在支承壁50的后侧502处，支承框架5包括用于开关单元2的各电极的第一总线触点55和第二总线触点56。
[0054] 总线触点55、56布置成用于与外部装置或电源总线电连接。特别是，当开关装置1在现场安装时，总线触点55、56与外部装置或电源总线电连接。
[0055] 合适布置的导体(未示出)使得总线触点55、56分别与切断触点51、52电连接。
[0056] 开关单元2可相对于支承框架5运动，即在插入位置A(图17)和退回位置B(图16)之间，反之亦然。
[0057] 在插入位置A和退回位置B之间或者相反的过渡中，开关单元2执行平移运动，该平移运动沿基本垂直于支承壁50的方向进行。
[0058] 优选是，开关单元2的侧壁26、27分别与支承框架5的侧壁53、54滑动连接。
[0059] 因此，包括辊220和引导边缘520等的连接装置可以合适布置，如所述图中所示。
[0060] 根据开关单元2的相关定位，支承框架5的支承壁50在它的前侧部501处与开关单元2的外壳29的外壁相连/分离，特别是与后壁25。
[0061] 当开关单元2处于插入位置A时，切断触点51、52与相应切断触点21、22连接。另一方面，当开关单元2处于退回位置B时，切断触点51、52分别与切断触点21、22分离。
[0062] 开关装置2包括致动装置3，用于使得开关单元2在所述插入位置A和退回位置B之间运动，反之亦然。
[0063] 为了提供用于使得开关单元2运动的机械
能量，致动装置3可以包括
马达装置300。
[0064] 开关单元2也可以通过致动工具(未示出)例如
曲柄而直接人工操作，该致动工具将插入合适的操纵座311中，该操纵座311例如在开关单元2的前壁24处由用户接近。
[0065] 优选是，致动装置3包括机械传动装置30，该机械传动装置30设置成传递用于使得开关单元2运动的机械能量，该机械能量从马达装置300接收，或者通过人工操作致动工具来接收。
[0066] 优选是，马达装置300包括电马达301，该电马达301可以由辅助电源(未示出)供给。
[0067] 电马达301具有马达轴304，该马达轴304与马达传动机构302操作连接，该马达传动机构302将马达轴304的旋转运动传递给机械传动装置30。
[0068] 如图11-14中所示，马达传动机构302优选是可以包括多个
齿轮或其它传动装置，该多个齿轮或其它传动装置适合布置成以特定
传动比来传递马达轴304旋转运动。
[0069] 根据优选实施例，机械传动装置30包括第一
运动链31，该第一运动链31设置成将由马达装置300(特别是由传动机构302)或由人工操作致动工具施加的运动转变成活动滑架32的平移运动。
[0070] 机械传动装置30还包括第二运动链33，该第二运动链33设置成将活动滑架32的平移运动转变成
传动轴34的旋转运动。
[0071] 传动轴34与支承框架5的侧壁53、54操作连接，且它能够相对于该侧壁53、54自由旋转。
[0072] 传动轴34与第一夹持元件35和第二夹持元件36牢固连接，该第一夹持元件35和第二夹持元件36能够分别与开关单元2的外壳29的第一夹持销291和第二夹持销292操作连接。
[0073] 夹持销291、292优选是定位在开关单元2的侧壁26、27上，并布置成从它们上凸出。
[0074] 优选是，夹持元件35、36由第一板351和第二板361形成，该第一板351和第二板361形成为确定第一夹持座352和第二夹持座362，该第一夹持座352和第二夹持座362分别与夹持销291、292操作连接。
[0075] 夹持座352、362具有第一夹持边缘353和第二夹持边缘363，它们分别在该第一夹持边缘353和第二夹持边缘363处与所述第一和第二夹持销连接。
[0076] 优选是，夹持边缘353、363形成为相对于传动轴34的旋
转轴线具有偏心型面。
[0077] 这样，当它们与夹持销291、292连接时，夹持边缘353、363能够在传动轴4旋转的过程中给予开关装置2平移运动。
[0078] 显然，所述平移运动的方向由传动轴4的旋转方向来确定。
[0079] 优选是，夹持边缘353、363分别有第一部分353A、363A和第二部分353B、363B，该第一部分353A、363A和第二部分353B、363B形成为相对于传动轴34的
旋转轴线具有不同的偏心型面。
[0080] 这样，连接边缘353、363能够给予开关装置2平移运动，根据在开关单元2和支承框架5之间实现的连接位置，该平移运动对于传动轴34的给定旋转速度具有不同速度。
[0081] 在本发明的可能实施例中(未示出)，用于使得开关单元2运动的机械能量可以由一个或多个致动
弹簧来提供，该致动弹簧与开关单元2和支承框架5操作相连。
[0082] 特别是，所述致动弹簧只在开关单元2的退回操作中使得开关单元2运动。
[0083] 在开关单元2的插入操作中(该插入操作可以人工驱动或通过起动马达装置300来驱动)，所述致动弹簧压缩，并通过第一阻挡机构(未示出)而保持在该压缩状态。
[0084] 当必须执行开关单元2的退回操作时，所述第一阻挡机构停用，且致动弹簧能够推动开关单元2离开插入位置A朝向退回位置B。
[0085] 根据本发明，开关装置1包括控制单元4，该控制单元设置成控制开关单元2和致动装置3的操作。
[0086] 如所述图中所示，控制单元4可以布置在指令模
块400中，该指令模块400定位在支承框架5的侧壁53、54中的一个处(见图2)。
[0087] 为了节省空间的目的，指令模块400优选是还可以包括马达装置300。
[0088] 也可选择，控制单元4可以定位在开关单元2的板上，或者相对于该开关单元2定位在远处位置处。
[0089] 优选是，控制单元4由辅助电源(未示出)供给。优选是，为了在辅助电源由于某种原因而中断的情况下保证执行某些功能，控制单元4可以包括储存装置(例如一个或多个电容器)，以便储存一定量的
电能。
[0090] 控制单元4优选是包括
用户界面410，例如指令按钮，通过该用户界面410，用户能够发送指令
信号，用于执行开关单元2的插入/退回操作。
[0091] 控制单元4包括控制装置41，用于当开关单元2必须进行插入/退回操作时协调致动装置3和固态开关20的操作。
[0092] 退回操作例如可以目的是实现开关单元与外部装置或电源总线的电流绝缘，以便提供保护功能和/或其它网络管理功能或者在开关装置1上执行维护操作。
[0093] 插入操作例如可以目的是重新建立开关单元2与外部装置或电源总线的电连接，以便提供保护功能和/或其它网络管理功能，或者在开关装置1上执行维护操作之后。
[0094] 根据本发明，控制装置41协调致动装置3和固态开关20的操作，这样，致动装置3只在固态开关20处于off状态时才使得开关单元2在插入和退回位置A、B之间运动以及相反。
[0095] 这样，开关单元2的插入/退回操作总是在安全操作情况下进行，从而明显减少了在相互连接/分离的触点21、22、51、52处的放电现象，例如电弧。
[0096] 实际上，因为开关单元2的插入/退回操作在固态开关20处于off状态时进行，因此在最差情况下也只有几十mA的很小电流(沿电极流通的、固态开关20的泄
漏电流)要中断。
[0097] 因此，当开关单元2的切断触点21、22与支承框架5的相应切断触点51、52连接/分离时，可能引起电弧的总能量因此明显减少，从而避免了破坏性的效果。
[0098] 优选是，控制单元4包括数字处理装置(未示出)，例如微
控制器。
[0099] 优选是，控制装置41是用计算机处理的装置，即一组
软件指令、模块或程序，它们能够通过所述数字处理装置来执行。
[0100] 作为可选方式，控制单元4能够为模拟类型，控制装置41可以包括一个或多个合适的模拟电路。
[0101] 当然，根据需要也可以为其它方案。
[0102] 优选是，控制装置41设置成接收第一命令信号S1，以便执行开关单元2的插入/退回操作。
[0103] 控制装置41设置成在接收
控制信号S1时立即提供第二命令信号S2，以便使得各电极的固态开关20转换至off状态。
[0104] 优选是，控制装置41设置成从合适的第一
传感器202接收允许信号E，所述信号E表示固态开关20的操作状态。
[0105] 根据本发明的一些实施例，当固态开关20转换成off状态时(控制单元已经接收允许信号E)，控制装置41提供第三命令信号S3，以便使得致动装置3能够使开关单元2运动。
[0106] 在开关单元2的机动操纵情况下，控制装置41优选是提供第四命令信号S4，以便起动马达装置300用于使得开关单元2运动。
[0107] 命令信号S2可以是电流或电压信号，该电流或电压信号适用于驱动固态开关20和使得该固态开关转换至off状态。
[0108] 根据用于执行开关单元2的插入/退回操作的方案，命令信号S1、S3、S4可以是不同类型。
[0109] 根据本发明的一些实施例(其中，用于执行开关单元2的插入或退回操作的机械能量可以由马达装置300提供)，命令信号S1可以由命令按钮410来发送，该命令按钮410由用户操作或通过能够与控制单元4通信的遥控
电子装置420(例如保护管理单元)来操作。
[0110] 当接收命令信号S1时，控制单元4向固态开关20发送命令信号S2，以便使得该固态开关20转换至off状态。
[0111] 当它接收允许信号E时，控制单元4提供用于起动马达装置300的命令信号S4。
[0112] 根据本发明的一些实施例(其中，用于执行开关单元2的插入/退回操作的机械能量可以人工提供)，命令信号S1由第二传感器430发送，该第二传感器430布置成检测曲柄插入操纵座311中。当接收命令信号S1时，控制单元4向固态开关20发送命令信号S2，以便使得该固态开关20转换至off状态。
[0113] 也可选择，控制装置41可以设置成不接收允许信号和不提供命令信号S3。
[0114] 在这种情况下，致动装置3和固态开关30的操作通过有利地利用控制单元4的、非常短的干涉时间来协调，这能够使得固态开关20在开关单元2开始运动之前转换成off状态。
[0115] 根据本发明的其它实施例，致动装置3通过曲柄的操作通常由第二阻挡机构(未示出)来防止。
[0116] 在这种情况下，控制单元4优选是从传感器202接收允许信号E，并提供命令信号S3以便使得所述第二阻挡机构停用。然后，用户能够通过插入操纵座311中的曲柄来操作致动装置3。
[0117] 根据本发明的一些实施例，用于执行开关单元2的退回操作的机械能量可以通过合适的致动弹簧来提供，该致动弹簧通过第一阻挡机构而保持在压缩状态。
[0118] 在这种情况下，命令信号S1(用于执行退回操作)可以由命令按钮410或由遥控电子装置420来发送。
[0119] 当接收命令信号S1时，控制单元4向固态开关20发送命令信号S2，以便使得固态开关20转换至off状态。
[0120] 当它接收允许信号E时，控制单元4提供命令信号S3，用于停用所述第一阻挡机构。
[0121] 根据本发明的一些实施例，命令信号S1可以由第三传感器440发送，该第三传感器440检测电马达301和/或控制单元4的辅助电源的中断。
[0122] 当接收命令信号S1时，控制单元4向固态开关20发送命令信号S2，以便使得该固态开关20转换至off状态。
[0123] 对于这种功能，控制单元4优选是通过合适布置的上述储存装置来供给。
[0124] 这时，开关单元2能够通过人工操作致动装置3而安全地进入退回位置。
[0125] 当由储存装置储存的电能足够时，控制单元4还可以提供命令信号S4，以便起动马达装置300，用于开关单元2的紧急情况退回操作。
[0126] 对于这种功能，控制单元4和电马达301优选是通过合适布置的上述储存装置来供给。
[0127] 开关装置1可以有源于上面所述的可能变化形式。
[0128] 例如，控制装置41可以设置成根据协调方案来协调致动装置3和固态开关20的操作，该协调方案与上面示例说明的不同，但是都在固态开关20转换成off状态之后执行开关单元2的插入/退回操作。
[0129] 开关装置1保证相对较高水平的可靠性，因为采用固态开关20来中断沿电极流通的相电流。
[0130] 而且，由于采用固态开关20，断路操作可以通过相对较短的中断时间来进行。另一方面，固态开关20保证相对较长的工作寿命，同时能够进行很大数量的断路操作。
[0131] 开关装置1通过采用单个开关单元2来结合断路和切断功能，换句话说，不需要如本领域现有方案中那样采用专
门执行断路操作的开关单元和专门执行切断操作的另一开关单元。
[0132] 实际上，电极与外部装置或电源总线的电流连接/绝缘通过开关单元2的插入/退回操作来保证，而不采用专门的机电开关装置。
[0133] 执行结合的断路和切断功能的这种能
力对于断路/切断操作的协调和在开关装置的部件之间的交接提供了明显的优点。
[0134] 而且，能够获得这样的开关装置，该开关装置的特征在于简化结构，并有相对较小尺寸。
[0135] 开关装置1提供了对执行切断操作的改进。
[0136] 当执行切断操作时，各电极的固态开关20在两个切断点处与外部装置或电源总线电绝缘，这两个切断点在它们的操作位置的上游和下游。
[0137] 这种特征提供了与相对于开关装置1位于上游的电源总线或装置以及位于下游的电负载的改善的绝缘。
[0138] 而且，这种特征能够更容易和安全地干预固态开关20，例如用于维护目的。
[0139] 另外，它简化了现场改型干预的执行，例如用新的开关装置(该新的开关装置具有单个开关单元，不过能够提供集成的断路和切断功能)更换已经安装在现场的开关装置(该开关装置包括分开的断路和切断单元)。
[0140] 开关装置1已经证明将相对容易和低成本地以工业水平来实现和在现场实际安装。
[0141] 这样设想的开关装置可进行变化和改变，所有这些变化和改变在特别由附加
权利要求确定的本发明概念的范围内；前述实施例的任意可能组合都能够实现，且必须考虑在本公开的发明概念内；而且，所有细节都可以由技术等效元件来代替。
[0142] 还有，使用的材料可以是根据需要和
现有技术状态的任意材料，只要它们与具体用途和目的以及尺寸相容。
