使用开关经由两个电源给至少两个负载供电的配电电路

摘要

本发明涉及一种用于由两个电源(S

说明书

技术领域

本发明涉及取决于操作模式以不同的方式将两个电源连接到负载的配电电 路。更具体地，本发明涉及当某些负载需要能够由两个电源中的一个电源或另 一个电源以及在某些情况下需要由两个电源同时供电时电路中开关的布置。

背景技术

许多设施，尤其是机载系统，或者更具体地用于控制推进机械的多个电子 设备是通过可以并联激活的两个电源来供电的。

该配置凭借给设备的冗余供电来提供安全性，并且还提供使用的灵活性， 因为该配置使得能够随设备的操作模式变化而改变来自电源的应力。实际上， 对于所考虑的设施类型，在设施的各种操作配置中不是所有设备都是激活的或 者都在全功率下运行。因此，有时两个电源连接到一个或多个设备，该一个或 多个设备中的每个设备都能够在不同时刻需要两个电源所能提供的累积电力， 以及有时两个电源连接到一组设备，该一组设备在任何时刻都不需要比两个电 源之一所能提供的电力更多的电力。因此，值得关注的是能够调整连接以便给 这种设备供电。

在本文档的其余部分中，通过配电线路外部的装置来控制每个设备(称为 负载)的操作模式。本文中也认为电源具有自己的控制设备。在这种情况下， 电源与负载之间的配电电路由一组连接和一组开关元件组成，该组开关元件在 电源与负载之间形成可以断开或者闭合的路径，以便使电路的配置适于电源的 操作和负载的操作。

如图1所示，通常，对于由两个电源S₁和S₂供电的三个负载CH₁、CH₂、 CH₃，每个负载通过包括单个开关元件的单流开关(singleflowswitch)J₁、J₂ 或J₃连接到电路，该单个开关元件根据负载是否是激活的而打开或者闭合。此 外，为了能够在某些负载上同时使用两个电源，在两个电源之间建立了由单流 开关J₄控制的连接。可以通过在位于电源之间的开关J₄的任一侧上连接额外的 负载来将图1的电路容易地推广到多于三个负载。每个负载都需要具有一定数 量的特性的电流供给，例如在电压方面和电流方面，并且反过来将一定数量的 应力施加于位于电路上游的设备上。这同样适用于电源，电源也会取决于负载 的应力而将应力施加于电路中位于电源相对侧的设备上。容易设计出图1中所 示的电路的单流开关。相对于负载的最大应力来设计位于负载CH₁、CH₂、CH₃对侧的每个开关J₁、J₂、J₃。进而相对于针对负载的最大应力可以由任一电源施 加的应力的最大水平来设计位于电源S₁与S₂之间的开关J₄。

尽管满足主要目的，图1中目前使用的解决方案有很多缺点。在操作安全 性方面，没有关于所有初始故障的容差，尤其是那些与位于负载对侧的开关J₁、 J₂、J₃关联的初始故障。如果负载的开关在打开位置发生故障，则不能再给该负 载供电，如果负载的开关在闭合位置发生故障，则该负载不能再被断开。此外， 如果电源S₁或S₂故障，则没办法将故障电源从电路中隔离。在操作方面，当平 行放置电源时，在位于电源之间的开关J₄闭合的情况下，该开关的阻抗使得连 接两个电源S₁、S₂与负载CH₁、CH₂或者CH₃的路径不具备相同的属性。

最后，在制造方面，该组件在成本、空间要求和重量方面不是最佳的。首 先，只要至少一个负载需要被两个电源供电，所述负载就把比由每个电源可以 提供的应力的最大水平还大的应力施加到对该负载进行控制的开关上。该系数 可以高达两倍。此外，尤其当电路是三相时，开关的重量和空间要求直接与这 些应力关联。此外，超出一定的应力之后，不可能将开关用在支架上。因此， 这种类型的开关的制造施加了额外的成本。此外，图1的解决方案使用了四个 不同的单极开关(singleswitch)。由于电路的重量和空间要求与安装的差异化 开关的数量直接关联，因此减少这种数量将是值得关注的。

本发明的目的是制造一种没有上述缺点的电路。

发明内容

本发明涉及一种用于由两个电源给至少两个负载供电的配电电路，该配电 电路包括导线和开关元件，所述导线中的一些导线形成能够连接到所述电源的 输出以及能够连接到所述负载的输出，所述电路被布置成使得所述导线与所述 开关元件在每个负载与所述两个电源之间建立至少一条导电路径。

这样的配电电路的值得注意之处在于，电源与负载之间的每个路径包括单 个开关元件，并且在于，对于至少一个确定的负载对，将每个电源连接到所述 负载对中的两个负载的路径上的两个开关元件被集成在双流开关(double-flow switch)中，所述双流开关是集成了两个开关元件的装置，该两个开关元件中 的每个开关元件能够控制导线到被称为中心点的同一中心触点的连接，所述双 流开关在该双流开关的中心点处被连接到用于连接至对应电源的输出。

凭借每个路径的单个开关元件，本发明使得能够将无限制的任何负载与两 个电源中的一个电源或者另一个电源关联或者与两个电源关联。除了使用的灵 活性之外，这样的电路给设施上的任何初始故障提供了容差。实际上，本发明 使得故障电源或者负载能够被隔离，同时继续控制剩余的设施。同样地，如果 开关元件故障的话，本发明提供旁路路径。

此外，即使负载使用两个电源的功率，开关元件也将绝不会超过比两个电 源之一可以提供的功率流大的功率流。因此，即使负载可以施加更大的应力， 根据本发明的电路也使得能够将开关元件的操作应力限制在由每个电源所施加 的应力。最后，尤其是在多于三个的负载连接到两个电源的情况下，开关元件 的数量是最少的。

实际上，相比于两个不同的装置而言，集成了必须承受相同操作应力的两 个开关元件的双流开关更轻并且带来了更少的集成问题。因此，值得关注的是 在这些双流开关中成对地对开关元件进行分组。此外，通过将双流开关的中心 点连接到每个负载，然后双流开关的两个其他输出连接到电源，可以实现根据 本发明的连接。在这种情况下，在设施的标称操作期间，双流开关的中心点处 的触点必须不超过比负载的最大功率大的功率。因此，根据由负载施加的应力 来设计双流开关。

最后，对于上述描述，在设施的标称操作期间，位于电源前方的双流开关 的中心点处的触点必须不超过比电源的最大功率大的功率。因此，根据由电源 施加的应力来设计双流开关。当所述两个负载在某些操作阶段期间可以使用比 单个电源可以提供的功率大的功率时，该布置尤其值得关注。这使得能够针对 较小的应力来设计两个开关，因此相比于要针对由这些负载施加的应力来设计 的开关，减少了成本和重量。具体地，在成本方面，由电源施加的应力可以使 得产品能够被用在支架上，而由负载施加的应力不允许这样的情况。

优选地，在如上所述的将电源连接到负载对的配电电路中，对于不属于所 述负载对的每个负载，将该负载连接至所述两个电源的路径上的开关元件被集 成在双流开关中，该双流开关在其中心点处被连接到用于连接至所述负载的输 出。

当属于所述负载对的负载是施加最大应力的负载时，该配置尤其有利。具 体地，如果将负载按应力的降序分类，那么如果第三个负载不需要比最强大的 电源所提供的功率大的功率，则感兴趣的配置出现。在这种情况下，无疑可以 将开关的设计限制到最强大的电源的操作应力。

因此，本发明具体涉及如上所述的配电电路，其中，在各自的中心点处连 接到旨在连接到负载的输出的双流开关是针对下述操作应力来设计的，该操作 应力小于或者等于在各自的中心点处连接到旨在连接到电源的输出的两个双流 开关的最大操作应力。此外，该配置使得用来制造电源与负载之间的连接中的 该组开关元件的单个装置的数量最少。鉴于重量和集成的难度与单个装置的该 数量关联，因此不管它们是双流开关还是单流开关，从这一角度来说该实施例 是最优的。

一个具体的实施例涉及下述配电电路，其中导线和开关元件被布置成处理 三相电流。实际上，三相电流中的操作应力引起对于三极开关尤其敏感的制造 应力，不管该三极开关是单流开关还是双流开关。因此，尤其值得关注的是在 单流开关或者双流开关的情况下限制功率电平以及数量。

本发明还涉及一种设施，该设施包括根据前述实施例之一的电路，该设施 具有两个电源和借助于所述电路由所述电源供电的负载，所述电路的每个开关 被涉及成响应于连接到开关的中心点的负载或电源的操作应力。更具体地，本 发明涉及下述设施，该设施包括两个电源和两个具有能够要求由所述两个电源 进行供电的操作模式的负载，所述两个电源中的每个电源能够传递确定的功率， 这两个负载形成所述负载对。有利地，形成所述负载对的一部分的两个负载是 将所述设施的所有负载上的最大应力施加到开关组件上的负载，所述开关组件 与该负载串联放置。后一配置使得能够使用具有最低的最大设计应力的双流开 关。

本发明还涉及一种用于制造该设施的方法，包括对由负载施加到与该负载 串联放置的开关元件上的应力进行识别的步骤，并且包括配电电路的制作，其 中，所述负载对由施加两个最大应力的负载组成。

附图说明

当参照附图阅读下面的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的进一 步的细节、特征和优势将变得明显，其中：

图1是根据现有技术经由两个电源给三个负载配送电力的电路图；

图2是根据本发明经由两个电源给三个负载配送电力的电路图；

图3是根据本发明经由两个电源给2+N个负载配送电力的电路图；

图4是经由两个电源给2+N个负载配送电力的电路的实施例的变体的图。

具体实施方式

本发明的应用的第一示例示出为经由具有三相电流的两个电源S₁和S₂给 三个负载CH₁、CH₂和CH₃供电。在该示例中，电源S₁提供功率P₁并且电源 S₂提供功率P₂，该功率P₂小于或者等于P₁。在某些配置中，负载CH₁和CH₂能够消耗比两个电源之一可以提供的功率大的功率，两个电源同时能够被使用， 在其他配置中，负载消耗比两个电源之一可以提供的功率小的功率。然而，第 三负载CH₃一直消耗比两个电源之一可以提供的功率小的功率。该应用使得能 够将现有技术(参照图1)与根据本发明的实施例(参照图2)进行比较。

在描述的其余部分中，为了简化对元件之间连接的理解，使用单线来示出 图1和图2的组件，即使在该应用的示例中使用了三相电流。实际上，三相电 路具有完全相同的方案。在整个文档中，导线的概念与将电流传导经过它的具 有可忽略阻抗的所有组件的元件有关。因此，关于三相电流，导线是由三股导 线束组成的。此外，开关的三极概念指的是跟随有三相电流的三个并联电路。 具体地，在下文中将开关元件理解为是下述装置，该装置用于同时打开或者关 闭三相电流的三相的三个并联电路。然而，开关的单流或者双流的概念指的是 在触点上汇合的电流的数目，因此对应的开关结合了一个或两个开关元件。

鉴于电源和负载的特性以及预期的使用条件，这些电源和这些负载能够在 与它们串联放置的三极单流开关组件上引起最大应力。因此，在根据图1所示 的现有技术的电路中，每个负载CH_i(i的范围为1-3)在与每个负载串联放置 的开关元件H_0i上引起最大应力C_i。因此，分别针对应力C₁、C₂和C₃来设计结 合这些开关元件H₀₁、H₀₂和H₀₃的开关J₁、J₂和J₃。取决于下述操作条件，位 于电源S₁与S₂之间的开关J₄依次与电源S₁或者与电源S₂串联：电流从S₁流动 到负载CH₃或者从电源S₂流动到负载CH₁或CH₂之一。由于电源S₁施加应力 Cs1并且电源S₂施加应力Cs2，因此针对这两个应力的最大值来设计开关J₄。

参照图2，为了制作电路，电源S₁和S₂，负载CH₁、CH₂、CH₃以及开关 I₁、I₂、I₃连接至导线F₁到F₁₁。经由导线F₁至F₅来进行电路的输出，该导线 F₁至F₅配备有能够与对应的负载或电源建立连接的装置。这使得能够针对三相 电流来建立将每个负载连接到两个电源的路径，哪些路径是断开的或者是闭合 的取决于开关I₁、I₂、I₃的开关元件H₁至H₆的状态。应当注意的是，开关I₁、 I₂、I₃的中心触点K₃、K₄、K₅中的每个触点形成两个路径之间的接合。此外， 将负载CH₁连接到电源S₁和S₂的两个路径在K₁处汇合，将负载CH₂连接到电 源S₁和S₂的两个路径在K₂处汇合。应当注意的是，在连接到负载的共同部分 F₃或者F₄之前在电源S₁或S₂以及接合K₁或K₂之间的这些路径上建立了开关 I₁和I₂。类似地，在连接到负载CH₃的共同部分F₅之前开关I₃启动电源S₁、S₂之间的路径上的开关元件。

因此，根据本发明的电路使用如下连接的三个三极双流开关：

-开关I₁的中心点连接到电源S₁，输出连接到负载CH₁并且输出连接到负 载CH₂；

-开关I₂的中心点连接到电源S₂，输出连接到负载CH₁并且输出连接到负 载CH₂；

-开关I₃的中心点连接到负载CH₃，输出连接到电源S₁并且输出连接到电 源S₂。

这些三极双流开关还具有下述特征：它们的中心点处连接的触点到一侧上 连接的触点的连接开关独立于与另一侧对应的连接开关。

因此，很容易注意到这样的电路至少允许以下关联，这些关联可能对应于 设施的操作模式：

-A1：仅由电源S₁或者S₂中的一个电源来给消耗小于P₂的功率的单个负 载CH₁、CH₂或者CH₃供电；

-A2：由单个电源S₁给消耗小于P₁但是大于或者等于P₂的功率的负载CH₁或者CH₂中的仅一个负载供电；

-A3：由两个电源S₁和S₂给消耗小于P₁+P₂但是大于或者等于P₂的功率 的负载CH₁或者CH₂中的仅一个负载供电，该两个电源S₁和S₂在它们各自的 能力范围内提供任何配电所需的功率；

-A4：由两个电源S₁和S₂给消耗小于P₁+P₂但是大于P₁的功率的负载CH₁或者CH₂中的仅一个负载供电，该两个电源S₁和S₂在它们各自的能力范围内 提供任何配电所需的功率；

-A5：经由S₁和S₂以专用的方式分别给从CH₁、CH₂和CH₃中选择的两 个负载供电，该两个负载同时消耗对于第一负载来说小于或者等于P₁以及对于 第二负载来说小于或者等于P₂的功率。

与现有技术相比，本发明的第一个优势在于可能的关联，并且因此设施的 使用的灵活性。实际上，因为图1的电路不是对称的，因此如果消耗大于S₂可 以提供的功率的是负载CH₂，则不可能实现关联A2。实际上，在这种情况下， 在不切断到电源S₁的连接的情况下不可能断开电源S₂。然而，为了用图2的电 路制造关联A2，仅需要将开关I₂和I₃在两侧上打开，将开关I₁设置成在朝向 负载CH₁的一侧处于打开位置，并且朝向负载CH₂的一侧处于闭合位置。

类似地，对于关联A5的电源S₁专门用于负载CH₂而电源S₂专门用于负载 CH₁的示例，很容易证实：可以通过本发明来生成制造这种关联的路径，而图 1的电路不允许通过使功率流经过的电路分离来同时给两个负载供电。还可以 找出其他示例。此外，如前序中已经指出的那样，当用图1的电路制造A3或 者A4类型的关联时，由于设置在两个电源之间的开关J₄而导致将负载连接到 这两个电源的路径具有阻抗差异，而同时使用相同的开关I₁和I₂的根据本发明 的图2的电路使得能够获得这种对称性。

此外，鉴于连接到三极双流开关的中心点的触点与这些触点连接到其的负 载和电源串联的事实，当设计这些开关时必须考虑的负载的应力Ci(i的范围 从1到3)以及电源的应力Cs₁和Cs₂与之前定义的应力是相同的。因此：

-针对由电源S₁施加的应力Cs₁来设计三极双流开关I₁；

-针对由电源S₂施加的应力Cs₂来设计三极双流开关I₂；

-针对由负载CH₃施加的应力C₃来设计三极双流开关I₃。

因此，应当注意的是，与现有技术相比，与负载CH₁和CH₂关联的最大应 力C₁和C₂没有出现在根据本发明的电路的设计中。

可以在具体应用中显示出增益，其中两个不间断电源S₁和S₂与两个30kVA 的永磁同步电机CH₁和CH₂以及一个10kVA的永磁异步电机CH₃关联。此外， 电机CH₁或者CH₂中的任何一个电机都能够在上至80kVA的功率下被使用(在 设施的操作中提供了大过渡)。两个相同的不间断电源S₁和S₂被选择成具有40 kVA的最大输出功率，这是提供给电机之一的最大功率的一半。

因此，根据本发明，通过使用针对来自不间断电源S₁和S₂的40kVA的应 力而设计的两个三极双流开关I₁和I₂以及针对来自同步电机CH₃的10kVA的 应力而设计的三极双流开关I₃来实现电路。

应当注意的是，该电路有效地使得预期的关联能够被形成：

-A1：经由不间断电源S₁或者S₂在电机CH₁、CH₂或者CH₃之一的标称 功率下给其供电；

-A3或者A4：经由两个不间断电源S₁或者S₂在电机CH₁、CH₂或者CH₃之一的标称功率下给其供电；

-A5：经由针对一个电机的不间断电源S₁以及经由针对另一个电机的不间 断电源S₂在两个电机CH₁和CH₂的标称功率下同时给它们供电；

-A2：经由并联的两个不间断电源S₁和S₂以80kVA的功率给电机CH₁或者CH₂之一供电。

为了能够用如图1所示的电路来制造这些配置，将需要实现针对80kVA的 应力设计的两个开关J₁和J₂而不是针对40kVA的应力设计的两个开关I₁和I₂。 该示例说明了开关必须承受的应力可以减少一倍的事实。此外，与之前的解决 方案的四个三级单流开关形成对照，本发明仅使用了三个三级双流开关。鉴于 所使用的技术，与现有技术的四个开关相比，根据本发明的三个开关更轻并且 体积更小，现有技术的四个开关中的一些还必须被设计为用于更大的应力。

从安全角度来看，图1中所示的实施例对于小于或者等于P₂的功率流的任 何初始故障都具有容差，并且在某些情况下对等于P₁+P₂的功率流提供故障容 差。实际上：

-在电源S₁或者S₂上故障的情况下，可以使用位于电源对侧的开关I₁或 者I₂来将电源隔离；

-在负载CH₁或者CH₂上故障的情况下，可以通过将开关I₁和I₂上对应的 触点对侧的开关元件打开来将该负载隔离；

-在负载CH₃上故障的情况下，可以使用位于该负载对侧的开关I₃来将负 载隔离；

-开关之一上在打开状态中受阻的触点之间的开关元件的情况下，仍然可 以通过使用没有受阻的触点之间的开关元件连接的电源来控制受影响的负载。 此外，如果该开关元件是位于电源对侧的两个开关I₁或者I₂之一的触点之间的 开关元件，则仍然可以在功率P₁+P₂下给负载CH₁或者CH₂中的一个负载供电；

-开关上在闭合状态中受阻的触点之间的开关元件的情况下，仍然可以通 过永久连接的电源以及通过两个电源并联来控制受影响的负载；仍然可以通过 至少一个电源来控制所有负载。然而，在受阻的触点之间的开关元件是影响负 载的元件中的一个的条件下，负载CH₁或者CH₂中只有一个负载仍然可以在功 率P₁+P₂下供电。

在一个具体的实施例中，防止开关的两个开关元件同时闭合的机械保险装 置可以被安装在该开关上。例如，该系统可以被安装在开关I₃上。这防止了起 源于两个电源的结合的过功率意外经过负载CH₃。在另一个示例中，安装在开 关I₂上的该系统可以通过要求电源S₂提供过量的功率以便同时给两个负载CH₁和CH₂供电来防止电源S₂的故障。

本发明还涉及仅包括负载CH₁和CH₂的实施例，该负载CH₁和CH₂可以需 要比两个电源之中最弱的电源传递的功率P₂大的功率。在这种情况中，使用的 开关数相对于现有技术的比例是二比三。

在更加广泛的实施例中，在两个负载CH₁和CH₂旁边，设施还包括N个负 载，该N个负载的最大运行功率小于可以由最弱的电源传递的功率P₂。因此， 指定为CH₃到CH_2+N的这些负载将应力C₃至C_2+N施加到串联设置的触点上， 这些应力低于由电源S₁和S₂施加的应力CS₁和CS₂。参照图3，根据本发明的 电路将三极双流开关I₃至I_2+N分别与每个负载CH₃至CH_2+N关联，这些开关是 针对应力C₃至C_2+N而设计的。每个负载CH₃至CH_2+N通过输出导线F₅至F_4+N分别连接至开关I₃至I_2+N的中心点K₅至K_4+N。与第一实施例的情况一样，每个 开关I₃至I_2+N借助于导线(未示出)经由开关输出侧的一侧连接到电源S₁，并 且经由另一侧连接到电源S₂。

此外，与第一实施例中一样，电源S₁经由输出导线F₁连接到开关I₁的中 心点K₃，该开关I₁是针对应力CS₁而设计的，并且电源S₂经由输出导线F₂连 接到开关I₂的中心点K₄，该开关I₂是针对应力CS₂而设计的。经由导线到负载 CH₁和CH₂的连接(图3中未示出)与图2中是一样的。

该实施例通过用负载CH₃至CH_2+N中的任何一个负载替换负载CH₃来实现 与第一实施例中所描述的那些关联相同的关联A1至A5。它证实了对初始故障 的相同的容差标准。最后，开关I₁和I₂仍然具有最大工作应力，该最大工作应 力独立于与负载CH₁和CH₂对应的值。

在更一般的方式中，即使多于两个的负载需要经由两个电源并联地被供电， 该实施例也是适用的。在这种情况中，将负载以应力的降序进行分类，该应力 是负载施加到与负载串联放置的开元组件上的应力。在这种情况中，与位于电 源前方的开关I₁和I₂连接的负载CH₁和CH₂是施加最大应力的负载。然而，为 了不把位于负载前方的开关的设计限制在由电源施加的最小应力，由CH₁和 CH₂施加的最大应力被限制成最强壮电源S₁的应力。

如图4所示，在实施例的一个变体中，通过将负载CH₁和CH₂连接到开关 I₁和I₂的中心点来以与负载CH₃至CH_2+N相同的方式对负载CH₁和CH₂进行处 理。该变体与前述的实施例具有相同的功能，但是这一次必须要针对与负载CH₁和CH₂对应的应力来设计开关I₁和I₂。因此，开关I₁和I₂是更笨重的并且更昂 贵的。

在已经描述的各种实施例的一个变体中，用针对相同的操作应力设计的两 个三极单流开关来替换三极双流开关中的至少一个开关。该变体与相应的仅用 三极双流开关制造的变体具有相同的功能并且证实了相同的安全标准。然而， 两个开关的重量更大并且它们的机械整合更复杂。