靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的方法
【專利摘要】提供了一種靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及用于操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)以在存在剩余磁通量的情況下消除變壓器突入電流的方法。該方法包括：檢測靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出端子處的電力中斷；使用介于電壓源與輸出端子之間的一個或更多個硅控整流器的相位觸發(fā)控制來控制輸出端子處的電壓幅度，其中，該電壓幅度被設(shè)置為小于正弦波形的峰值的值；以及逐步增加輸出端子處的電壓幅度，直到該幅度達到峰值。
【專利說明】靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年11月9日提交的美國臨時申請N0.61/724，640的優(yōu)先權(quán)，上述申請的全部內(nèi)容通過引用合并在本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開內(nèi)容總體上涉及靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，更具體地涉及在存在剩余磁通量的情況下消除變壓器突入電流(inrush current)的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]當交流(AC)電流流過變壓器的初級線圈時，生成在變壓器鐵芯中引起磁通量的交變磁場。該通量具有變化的正極和負極并且通常平衡在O附近或者以O(shè)附近為中心。變壓器中的通量與所施加的電壓的積分成正比，因此它的極性比該電壓的極性滯后90°。變壓器的額定設(shè)計電壓也意味著變壓器的額定磁通量水平。如果該磁通量在正向或者負向上超過了額定水平，則該變壓器鐵芯開始變得通量“飽和”。這會導(dǎo)致變壓器的初級線圈的特性阻抗變得顯著低于正常值，因此就會允許過大的電流流入變壓器。這樣的電流可以是正常滿額定電流的十到二十倍并且會引起嚴重的配電問題，例如斷路器跳閘、保險絲燒斷、電源變得過載，等等。例如，當最初以隨機的或者不受控的方式對較大變壓器上電的時候，這個問題會出現(xiàn)。參考圖1，如果如12所指示在正弦波中的任意點處施加電壓，則磁通量14不一定以O(shè)附近為中心，而且如圖1中16所指示的，可以超過15處指示的最大允許通量水平。
[0005]在靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的背景下，通常使用消除或者最小化突入電流的“軟啟動(soft-start)”控制方式來將電壓施加到下游變壓器。如圖2的22所示，該軟啟動控制在所施加的電壓波形的適當點處(即，頂點)接通靜態(tài)開關(guān)。因為磁通量和所施加的電壓的積分成比例并且假設(shè)變壓器鐵芯中的磁通量的初始狀態(tài)為0，則可以在數(shù)學(xué)上證明這種方法保證了變壓器鐵芯中的磁通量平衡在O附近或者以O(shè)附近為中心，如圖2所示。
[0006]參考圖3，如果將施加給變壓器的電壓在波形上通量非O的某個點處移除，則32處指示的剩余磁通量在自然衰減到O之前會在變壓器鐵芯里保持相當長一段時間。取決于變壓器的設(shè)計，衰減時間可以是幾分鐘到超過一個小時。因此，如果電壓12在電壓移除后不久又被施加給變壓器(例如，短暫的電力故障并隨后恢復(fù)之后)，那么依賴于初始消磁通量狀態(tài)的“軟啟動”控制方法不能保證提供期望的結(jié)果。而且，變壓器鐵芯可能會變得飽和，如33所示。因此，期望開發(fā)一種可以在存在剩余磁通量的情況下消除突入電流的用于操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的新方法。
[0007]本部分提供涉及本公開內(nèi)容的背景信息，該背景信息未必是現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本部分提供本公開內(nèi)容的一般概述，而不是其全部范圍或其全部特征的全面的公開內(nèi)容。[0009]為了在存在剩余磁通量的情況下消除突入電流，一個示例技術(shù)監(jiān)視施加給靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的負載端子的電壓。在足夠持續(xù)時間的電壓中斷之后，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)中的控制器發(fā)起啟動過程。在啟動過程中，負載端子處的電壓幅度逐步增大直到達到AC輸入信號的額定幅度。使用該啟動過程，允許給可以耦合到負載端子的變壓器再供電，而不用考慮自掉電以來所經(jīng)過的時間。
[0010]靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)可以包括電連接在優(yōu)選輸入端子與負載端子之間的第一開關(guān)裝置，以及電連接在替代輸入端子與負載端子之間的第二開關(guān)裝置，其中，優(yōu)選輸入端子配置為接收來自優(yōu)選電壓源的AC輸入信號，而替代輸入端子配置為接收來自替代電壓源的AC輸入信號。第一開關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)。
[0011]控制器與第一開關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置中的半導(dǎo)體開關(guān)接口。在一些實施方式中，半導(dǎo)體開關(guān)還被限定為硅控整流器。在另外的實施方式中，第一關(guān)裝置和第二開關(guān)裝置包括以背對背配置彼此并聯(lián)布置的兩個硅控整流器。控制器監(jiān)視負載端子處的電壓并且控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以選擇性地將來自優(yōu)選輸入端子或者替代輸入端子的電壓輸出到負載端子?？刂破骺梢允褂孟辔挥|發(fā)控制(phase fired control)來控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
[0012]一方面，當在負載端子處檢測到電壓中斷時，控制器以啟動模式控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，使得負載端子處的電壓的幅度被設(shè)置為顯著小于AC輸入信號的峰值，并且逐步增加到峰值。在一些實施方式中，負載端子處的電壓線性地增加直到幅度到達AC輸入信號的峰值。
[0013]另一方面，控制器監(jiān)視負載端子處的電壓并且控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以選擇性地將來自優(yōu)選輸入端子或者替代輸入端子的電壓輸出到負載端子，使得在電壓中斷之后輸出到負載端子的電壓不依賴于自中斷以來所經(jīng)過的時間。更具體地，控制器以啟動模式控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，使得負載端子處的電壓的幅度顯著小于AC輸入信號的峰值并且逐步增加到AC輸入信號的峰值。啟動模式可以在超過AC電壓信號的一個周期的中斷之后啟動。
[0014]根據(jù)本文中提供的描述，本發(fā)明的另外的應(yīng)用范圍將變得清楚。本
【發(fā)明內(nèi)容】
中的描述和具體示例僅僅是為了說明目的而不是意在限制本公開內(nèi)容的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是相對于變壓器鐵芯中的磁通量示出被施加給變壓器的初級線圈的電壓的圖；
[0016]圖2是示出避免通量飽和的給變壓器供電的“平穩(wěn)啟動”技術(shù)的圖；
[0017]圖3是示出在存在剩余磁通量的情況下給變壓器供電的“平穩(wěn)啟動”技術(shù)的圖；
[0018]圖4是示例性靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的簡化示意圖；
[0019]圖5是示出在存在剩余磁通量的情況下給變壓器供電的改進的技術(shù)的圖；以及
[0020]圖6是示出在示例的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的背景下給變壓器供電的改進的技術(shù)的圖。
[0021]本文中所描述的附圖僅為了示出所選擇的實施方式而不是所有可能的實現(xiàn)的說明目的，并不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。在附圖的全部若干視圖中，相應(yīng)的附圖標記表示相應(yīng)的部分?！揪唧w實施方式】
[0022]圖4是示例性靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)40的簡化示意圖。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)40總體包括優(yōu)選輸入端子41、替代輸入端子42、負載端子43、第一開關(guān)裝置44、第二開關(guān)裝置45以及控制器46。優(yōu)選輸入端子41被配置為接收來自優(yōu)選電壓源47的電力；而替代輸入端子42被配置為接收來自替代電壓源48的電力。在其中任一情況下，接收的電力是AC信號形式的。
[0023]第一開關(guān)裝置44電連接在優(yōu)選輸入端子41與負載端子43之間。第一開關(guān)裝置44包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)。在示例性實施方式中，半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)為硅控整流器(SCR)。在單相負載的情況下，第一開關(guān)裝置44包括以背對背配置彼此并聯(lián)布置的兩個硅控整流器，如圖4所示。可以理解，類似的開關(guān)裝置可以用在三相負載應(yīng)用中的任一橋臂上。此外，可以理解，其他類型的晶閘管和/或半導(dǎo)體開關(guān)都屬于本公開內(nèi)容的范圍。
[0024]第二開關(guān)裝置45電連接在替代輸入端子42與負載端子43之間。第二開關(guān)裝置也包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)，并且可以以與上述第一開關(guān)裝置44類似的方式來實現(xiàn)。
[0025]控制器46與第一開關(guān)裝置44和第二開關(guān)裝置45中的半導(dǎo)體開關(guān)接口。控制器46控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以選擇性地將輸入端子41、42之一耦合到負載端子43。在一個實施方式中，控制器46實現(xiàn)為微控制器。在另外的實施方式中，控制器可以是指以下內(nèi)容、是以下內(nèi)容的一部分、或者包括以下內(nèi)容:專用集成電路(ASIC)、電子電路、組合邏輯電路、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、執(zhí)行代碼的微處理器、其他可以提供所描述的功能的合適部件、或者上述一些或全部的組合。
[0026]在操作中，控制器46配置為監(jiān)視優(yōu)選電壓源47和替代電壓源48的工作參數(shù)。例如，負載端子43可以接收來自優(yōu)選電壓源47的電力?？刂破?6繼而監(jiān)視從優(yōu)選電壓源47接收到的電壓信號的幅度和/或頻率。當任何一個參數(shù)超出了可接受的范圍時，控制器46可以從優(yōu)選電壓源47轉(zhuǎn)移到替代電壓源48。即，控制器46將替代輸入端子42電耦合到負載端子43并且將優(yōu)選輸入端子41與負載端子43去耦。為了這樣做，控制器46控制半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。具體地，第一開關(guān)裝置44中的半導(dǎo)體開關(guān)被斷開(即，非導(dǎo)通)并且第二開關(guān)裝置45中的半導(dǎo)體開關(guān)閉合(S卩，導(dǎo)通)。于是，控制器46根據(jù)監(jiān)視到的工作參數(shù)選擇性地將優(yōu)選電壓源47或者替代電壓源48之一耦合到負載端子43。
[0027]上面給出了示例性靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)40的一些主要部件和功能。容易理解，可能需要其他部件來構(gòu)造以及操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。關(guān)于示例性靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的進一步的細節(jié)，可能需要參考可從艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司購得的Liebert STS2靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。
[0028]在典型的場景中，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)40的負載端子43可以電連接到變壓器49的繞組。如果在波形中通量非O的某個點處移除施加給變壓器49的電壓，則剩余磁通量會在自然衰減到O之前在變壓器鐵芯里保持相當長一段時間。可以預(yù)期，控制器46可以實現(xiàn)在存在剩余磁通量的情況下消除變壓器突入電流的啟動過程或者模式。
[0029]在操作中，控制器46在52處監(jiān)視各種工作參數(shù)，包括負載端子43處的電力。例如如果優(yōu)選電壓源和替代電壓源在足夠的時間段內(nèi)(例如，超過了交流輸入信號正弦波的一個周期)掉線，控制器46可以檢測負載端子43處的電力中斷。注意，可以用不同的方式來處理短時間的電源中斷，例如在兩個電源之間切換時出現(xiàn)的電源中斷，而不觸發(fā)下面描述的啟動程序。[0030]在足夠持續(xù)時間的電源中斷后，控制器46會發(fā)起在存在任何剩余磁通量的情況下消除突入電流的啟動過程。在啟動過程中，輸出端子43處的電壓幅度逐步增加，例如在I到2秒的間隔內(nèi)，直到電壓達到圖5中52處指示的額定幅度值。變壓器鐵芯中的磁通量大小的變化受到鐵芯材料磁阻的對抗。該磁阻類似于電感電路中阻止電流變化的電阻抗。因為所施加的AC電壓在正值與負值間交替，所以，由于疊加在直流(DC)分量上的通量的交變的或者AC分量，任何如54處指示的通量的初始穩(wěn)定狀態(tài)或者“DC”水平都會作為磁路損失被吸收掉。只要所施加的AC電壓開始于如56所示的相對小的幅度，則通量的總和(DC分量+AC分量)不會超過在飽和開始前所允許的最大通量58。注意，將幅度設(shè)置為顯著小于額定正弦波的峰值的值并且逐步增加到峰值。當AC通量處于正常全幅度時，剩余DC通量將會耗散為O而且整個通量將正常。結(jié)果，會將突入電流消除而與變壓器中任何初始剩余通量無關(guān)。使用該啟動過程允許給變壓器再供電而不考慮自斷電以來所經(jīng)過的時間。
[0031]圖6說明了在上述靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)40的情況下啟動過程的實現(xiàn)。在示例性實施方式中，通過控制器46使用硅控整流器的相位觸發(fā)控制來控制負載端子處的電壓的幅度。電壓幅度初始設(shè)置為顯著小于如62所指示的AC輸入信號的峰值的值。電壓幅度在每個周期或半周期逐步增加直到達到AC輸入信號的峰值。在每個電壓脈沖期間，當波形向O移動它的中心時，磁通量64逐步地增加或減少。為了簡潔，在圖6中電壓幅度在幾個(即，4個)周期內(nèi)就漸變提升到峰值，但是可以理解，幅度優(yōu)選地比示出的更加逐步地增加。其他控制電壓幅度的技術(shù)可以適用于其他類型的開關(guān)。
[0032]假設(shè)輸入信號具有60赫茲的頻率，所施加的電壓的幅度在一秒間隔內(nèi)每個周期可以增加6個等級，以在60個周期內(nèi)增加到峰值。就是說，可以根據(jù)輸入信號的頻率以及指定的漸變提升時間間隔來確定用于觸發(fā)(firing)整流器的相位角。這樣，幅度逐步且線性地增加直到達到峰值。還可以理解，電壓可以在比一秒更短的或者更長的持續(xù)時間內(nèi)漸變提升，而且不需要線性地增加。
[0033]已經(jīng)為了說明和描述的目的提供了前面的實施方式的描述。前面的實施方式的描述不意在是詳盡的或限制本公開內(nèi)容?！揪唧w實施方式】的各個元件或特征通常不限于該【具體實施方式】，但是，即使沒有具體示出或描述，具體的實施方式的各個元件或特征在可應(yīng)用的情況下是可替換的并且可以用于所選擇的實施方式中。其也可以以許多方式變化。這樣的變化不被認為是偏離本公開內(nèi)容，并且所有這樣的修改意在被包括在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，包括: 優(yōu)選輸入端子，被配置為接收來自優(yōu)選電壓源的電力； 替代輸入端子，被配置為接收來自替代電壓源的電力，其中來自所述優(yōu)選電壓源和所述替代電壓源的電力具有正弦波形； 負載端子； 第一開關(guān)裝置，其電連接在所述優(yōu)選輸入端子與所述負載端子之間，其中所述第一開關(guān)裝置包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)； 第二開關(guān)裝置，其電連接在所述替代輸入端子與所述負載端子之間，其中所述第二開關(guān)裝置包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)；以及 控制器，被配置為監(jiān)視所述優(yōu)選電壓源和所述替代電壓源中的至少之一的工作參數(shù)，并且進行操作以根據(jù)所監(jiān)視的工作參數(shù)選擇性地將所述優(yōu)選電壓源或者所述替代電壓源之一耦合到所述負載端子，其中，所述控制器與所述半導(dǎo)體開關(guān)接口，并且當檢測到所述負載端子處的電力中斷時，以啟動模式控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，使得所述負載端子處的電壓幅度被設(shè)置為顯著小于所述正弦波形的峰值的值并且逐步增加到所述峰值。
2.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)被進一步限定為硅控整流器。
3.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述第一開關(guān)裝置被進一步限定為以背對背配置彼此并聯(lián)布置的兩個硅控整流器。
4.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述控制器使用相位觸發(fā)控制來控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，在檢測到超過所述正弦波形的一個周期的電力中斷時，所述控制器以所述啟動模式控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述控制器控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以線性地增加所述負載端子處的電壓，直到所述幅度達到所述峰值。
7.如權(quán)利要求1所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述控制器控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以將所述優(yōu)選輸入端子電耦合到所述負載端子，并且還控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，以在所述優(yōu)選電壓源的所述工作參數(shù)落在工作參數(shù)的可接受范圍之外時，將所述替代輸入端子電耦合到所述負載端子，以及將所述優(yōu)選輸入端子與所述負載端子去耦。
8.一種用于操作靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的方法，包括: 由控制器檢測施加在所述靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的負載端子處的電壓的中斷，其中，所述電壓具有正弦波形； 由所述控制器使用介于電壓源與所述負載端子之間的一個或更多個硅控整流器的相位觸發(fā)控制來控制輸出端子處的電壓幅度，其中，響應(yīng)于檢測到所述負載端子處的電壓中斷來控制所述電壓幅度，并且所述電壓幅度被設(shè)置為小于正弦波形的峰值的值；以及 在給定時間段內(nèi)逐步增加所述輸出端子處的所述電壓幅度，直到所述幅度達到峰值。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括監(jiān)視施加給所述輸出端子的電壓并且檢測所述電壓的超過所述電壓的所述正弦波形的一個周期的中斷。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，控制所述輸出端子處的幅度還包括:基于所述正弦波形的頻率和所述給定時間段來確定接通所述整流器的相位角，并且在所確定的相位角處接通所述整流器。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括線性地增加所述負載端子處的所述電壓幅度，直到所述幅度達到所述峰值。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 從優(yōu)選電壓源接收施加給所述負載端子的電壓； 關(guān)于工作參數(shù)的可接受范圍，對所述電壓進行監(jiān)視；以及 當所述電壓落在工作參數(shù)的所述可接受范圍之外時，將所述負載端子選擇性地耦合到替代電壓源。
13.一種具有能夠耦合到變壓器的負載端子的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，包括: 優(yōu)選輸入端子，被配置為接收來自優(yōu)選電壓源的交流電壓信號； 替代輸入端子，被配置為接收來自替代電壓源的交流電壓信號； 第一開關(guān)裝置，其電連接在所述優(yōu)選輸入端子與所述負載端子之間，其中所述第一開關(guān)裝置包括一個或更多個半導(dǎo)體開關(guān)； 第二開關(guān)裝置，其電連接在所述替代輸入端子與所述負載端子之間，其中所述第二開關(guān)裝置包括一個或 更多個半導(dǎo)體開關(guān)；以及 控制器，其監(jiān)視所述負載端子處的電壓，并且控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，以選擇性地將來自所述優(yōu)選輸入端子或所述替代輸入端子的電壓輸出到所述負載端子，使得在所述電壓的中斷之后輸出到所述負載端子的電壓不依賴于自所述中斷以來所經(jīng)過的時間。
14.如權(quán)利要求13所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述控制器在所述中斷之后以啟動模式控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，使得所述負載端子處的電壓的幅度顯著小于所述交流電壓信號的峰值并且逐步增加到所述交流電壓信號的所述峰值。
15.如權(quán)利要求14所述的靜態(tài)裝換開關(guān)，其中，所述控制器在超過所述交流電壓信號的一個周期的中斷之后，以所述啟動模式控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求15所述的靜態(tài)裝換開關(guān)，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)被進一步限定為硅控整流器。
17.如權(quán)利要求13所述的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中，所述控制器使用相位觸發(fā)控制來控制所述半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。
【文檔編號】H02M1/06GK103812308SQ201310552696
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】特里·D·布什, 詹姆斯·M·米勒 申請人:力博特公司