静态转换开关以及操作静态转换开关的方法
【专利摘要】提供了一种静态转换开关以及用于操作静态转换开关以在存在剩余磁通量的情况下消除变压器突入电流的方法。该方法包括：检测静态转换开关的输出端子处的电力中断；使用介于电压源与输出端子之间的一个或更多个硅控整流器的相位触发控制来控制输出端子处的电压幅度，其中，该电压幅度被设置为小于正弦波形的峰值的值；以及逐步增加输出端子处的电压幅度，直到该幅度达到峰值。
【专利说明】静态转换开关以及操作静态转换开关的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年11月9日提交的美国临时申请N0.61/724，640的优先权，上述申请的全部内容通过引用合并在本文中。
【技术领域】
[0003]本公开内容总体上涉及静态转换开关，更具体地涉及在存在剩余磁通量的情况下消除变压器突入电流(inrush current)的技术。
【背景技术】
[0004]当交流(AC)电流流过变压器的初级线圈时，生成在变压器铁芯中引起磁通量的交变磁场。该通量具有变化的正极和负极并且通常平衡在O附近或者以O附近为中心。变压器中的通量与所施加的电压的积分成正比，因此它的极性比该电压的极性滞后90°。变压器的额定设计电压也意味着变压器的额定磁通量水平。如果该磁通量在正向或者负向上超过了额定水平，则该变压器铁芯开始变得通量“饱和”。这会导致变压器的初级线圈的特性阻抗变得显著低于正常值，因此就会允许过大的电流流入变压器。这样的电流可以是正常满额定电流的十到二十倍并且会引起严重的配电问题，例如断路器跳闸、保险丝烧断、电源变得过载，等等。例如，当最初以随机的或者不受控的方式对较大变压器上电的时候，这个问题会出现。参考图1，如果如12所指示在正弦波中的任意点处施加电压，则磁通量14不一定以O附近为中心，而且如图1中16所指示的，可以超过15处指示的最大允许通量水平。
[0005]在静态转换开关的背景下，通常使用消除或者最小化突入电流的“软启动(soft-start)”控制方式来将电压施加到下游变压器。如图2的22所示，该软启动控制在所施加的电压波形的适当点处(即，顶点)接通静态开关。因为磁通量和所施加的电压的积分成比例并且假设变压器铁芯中的磁通量的初始状态为0，则可以在数学上证明这种方法保证了变压器铁芯中的磁通量平衡在O附近或者以O附近为中心，如图2所示。
[0006]参考图3，如果将施加给变压器的电压在波形上通量非O的某个点处移除，则32处指示的剩余磁通量在自然衰减到O之前会在变压器铁芯里保持相当长一段时间。取决于变压器的设计，衰减时间可以是几分钟到超过一个小时。因此，如果电压12在电压移除后不久又被施加给变压器(例如，短暂的电力故障并随后恢复之后)，那么依赖于初始消磁通量状态的“软启动”控制方法不能保证提供期望的结果。而且，变压器铁芯可能会变得饱和，如33所示。因此，期望开发一种可以在存在剩余磁通量的情况下消除突入电流的用于操作静态转换开关的新方法。
[0007]本部分提供涉及本公开内容的背景信息，该背景信息未必是现有技术。
【发明内容】
[0008]本部分提供本公开内容的一般概述，而不是其全部范围或其全部特征的全面的公开内容。[0009]为了在存在剩余磁通量的情况下消除突入电流，一个示例技术监视施加给静态转换开关的负载端子的电压。在足够持续时间的电压中断之后，静态转换开关中的控制器发起启动过程。在启动过程中，负载端子处的电压幅度逐步增大直到达到AC输入信号的额定幅度。使用该启动过程，允许给可以耦合到负载端子的变压器再供电，而不用考虑自掉电以来所经过的时间。
[0010]静态转换开关可以包括电连接在优选输入端子与负载端子之间的第一开关装置，以及电连接在替代输入端子与负载端子之间的第二开关装置，其中，优选输入端子配置为接收来自优选电压源的AC输入信号，而替代输入端子配置为接收来自替代电压源的AC输入信号。第一开关装置和第二开关装置包括一个或更多个半导体开关。
[0011]控制器与第一开关装置和第二开关装置中的半导体开关接口。在一些实施方式中，半导体开关还被限定为硅控整流器。在另外的实施方式中，第一关装置和第二开关装置包括以背对背配置彼此并联布置的两个硅控整流器。控制器监视负载端子处的电压并且控制半导体开关的导通状态以选择性地将来自优选输入端子或者替代输入端子的电压输出到负载端子。控制器可以使用相位触发控制(phase fired control)来控制半导体开关的导通状态。
[0012]一方面，当在负载端子处检测到电压中断时，控制器以启动模式控制半导体开关的导通状态，使得负载端子处的电压的幅度被设置为显著小于AC输入信号的峰值，并且逐步增加到峰值。在一些实施方式中，负载端子处的电压线性地增加直到幅度到达AC输入信号的峰值。
[0013]另一方面，控制器监视负载端子处的电压并且控制半导体开关的导通状态以选择性地将来自优选输入端子或者替代输入端子的电压输出到负载端子，使得在电压中断之后输出到负载端子的电压不依赖于自中断以来所经过的时间。更具体地，控制器以启动模式控制半导体开关的导通状态，使得负载端子处的电压的幅度显著小于AC输入信号的峰值并且逐步增加到AC输入信号的峰值。启动模式可以在超过AC电压信号的一个周期的中断之后启动。
[0014]根据本文中提供的描述，本发明的另外的应用范围将变得清楚。本
【发明内容】
中的描述和具体示例仅仅是为了说明目的而不是意在限制本公开内容的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是相对于变压器铁芯中的磁通量示出被施加给变压器的初级线圈的电压的图；
[0016]图2是示出避免通量饱和的给变压器供电的“平稳启动”技术的图；
[0017]图3是示出在存在剩余磁通量的情况下给变压器供电的“平稳启动”技术的图；
[0018]图4是示例性静态转换开关的简化示意图；
[0019]图5是示出在存在剩余磁通量的情况下给变压器供电的改进的技术的图；以及
[0020]图6是示出在示例的静态转换开关的背景下给变压器供电的改进的技术的图。
[0021]本文中所描述的附图仅为了示出所选择的实施方式而不是所有可能的实现的说明目的，并不意在限制本公开内容的范围。在附图的全部若干视图中，相应的附图标记表示相应的部分。【具体实施方式】
[0022]图4是示例性静态转换开关40的简化示意图。静态转换开关40总体包括优选输入端子41、替代输入端子42、负载端子43、第一开关装置44、第二开关装置45以及控制器46。优选输入端子41被配置为接收来自优选电压源47的电力；而替代输入端子42被配置为接收来自替代电压源48的电力。在其中任一情况下，接收的电力是AC信号形式的。
[0023]第一开关装置44电连接在优选输入端子41与负载端子43之间。第一开关装置44包括一个或更多个半导体开关。在示例性实施方式中，半导体开关实现为硅控整流器(SCR)。在单相负载的情况下，第一开关装置44包括以背对背配置彼此并联布置的两个硅控整流器，如图4所示。可以理解，类似的开关装置可以用在三相负载应用中的任一桥臂上。此外，可以理解，其他类型的晶闸管和/或半导体开关都属于本公开内容的范围。
[0024]第二开关装置45电连接在替代输入端子42与负载端子43之间。第二开关装置也包括一个或更多个半导体开关，并且可以以与上述第一开关装置44类似的方式来实现。
[0025]控制器46与第一开关装置44和第二开关装置45中的半导体开关接口。控制器46控制半导体开关的导通状态以选择性地将输入端子41、42之一耦合到负载端子43。在一个实施方式中，控制器46实现为微控制器。在另外的实施方式中，控制器可以是指以下内容、是以下内容的一部分、或者包括以下内容:专用集成电路(ASIC)、电子电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)、执行代码的微处理器、其他可以提供所描述的功能的合适部件、或者上述一些或全部的组合。
[0026]在操作中，控制器46配置为监视优选电压源47和替代电压源48的工作参数。例如，负载端子43可以接收来自优选电压源47的电力。控制器46继而监视从优选电压源47接收到的电压信号的幅度和/或频率。当任何一个参数超出了可接受的范围时，控制器46可以从优选电压源47转移到替代电压源48。即，控制器46将替代输入端子42电耦合到负载端子43并且将优选输入端子41与负载端子43去耦。为了这样做，控制器46控制半导体开关的导通状态。具体地，第一开关装置44中的半导体开关被断开(即，非导通)并且第二开关装置45中的半导体开关闭合(S卩，导通)。于是，控制器46根据监视到的工作参数选择性地将优选电压源47或者替代电压源48之一耦合到负载端子43。
[0027]上面给出了示例性静态转换开关40的一些主要部件和功能。容易理解，可能需要其他部件来构造以及操作静态转换开关。关于示例性静态转换开关的进一步的细节，可能需要参考可从艾默生网络能源公司购得的Liebert STS2静态转换开关。
[0028]在典型的场景中，静态转换开关40的负载端子43可以电连接到变压器49的绕组。如果在波形中通量非O的某个点处移除施加给变压器49的电压，则剩余磁通量会在自然衰减到O之前在变压器铁芯里保持相当长一段时间。可以预期，控制器46可以实现在存在剩余磁通量的情况下消除变压器突入电流的启动过程或者模式。
[0029]在操作中，控制器46在52处监视各种工作参数，包括负载端子43处的电力。例如如果优选电压源和替代电压源在足够的时间段内(例如，超过了交流输入信号正弦波的一个周期)掉线，控制器46可以检测负载端子43处的电力中断。注意，可以用不同的方式来处理短时间的电源中断，例如在两个电源之间切换时出现的电源中断，而不触发下面描述的启动程序。[0030]在足够持续时间的电源中断后，控制器46会发起在存在任何剩余磁通量的情况下消除突入电流的启动过程。在启动过程中，输出端子43处的电压幅度逐步增加，例如在I到2秒的间隔内，直到电压达到图5中52处指示的额定幅度值。变压器铁芯中的磁通量大小的变化受到铁芯材料磁阻的对抗。该磁阻类似于电感电路中阻止电流变化的电阻抗。因为所施加的AC电压在正值与负值间交替，所以，由于叠加在直流(DC)分量上的通量的交变的或者AC分量，任何如54处指示的通量的初始稳定状态或者“DC”水平都会作为磁路损失被吸收掉。只要所施加的AC电压开始于如56所示的相对小的幅度，则通量的总和(DC分量+AC分量)不会超过在饱和开始前所允许的最大通量58。注意，将幅度设置为显著小于额定正弦波的峰值的值并且逐步增加到峰值。当AC通量处于正常全幅度时，剩余DC通量将会耗散为O而且整个通量将正常。结果，会将突入电流消除而与变压器中任何初始剩余通量无关。使用该启动过程允许给变压器再供电而不考虑自断电以来所经过的时间。
[0031]图6说明了在上述静态转换开关40的情况下启动过程的实现。在示例性实施方式中，通过控制器46使用硅控整流器的相位触发控制来控制负载端子处的电压的幅度。电压幅度初始设置为显著小于如62所指示的AC输入信号的峰值的值。电压幅度在每个周期或半周期逐步增加直到达到AC输入信号的峰值。在每个电压脉冲期间，当波形向O移动它的中心时，磁通量64逐步地增加或减少。为了简洁，在图6中电压幅度在几个(即，4个)周期内就渐变提升到峰值，但是可以理解，幅度优选地比示出的更加逐步地增加。其他控制电压幅度的技术可以适用于其他类型的开关。
[0032]假设输入信号具有60赫兹的频率，所施加的电压的幅度在一秒间隔内每个周期可以增加6个等级，以在60个周期内增加到峰值。就是说，可以根据输入信号的频率以及指定的渐变提升时间间隔来确定用于触发(firing)整流器的相位角。这样，幅度逐步且线性地增加直到达到峰值。还可以理解，电压可以在比一秒更短的或者更长的持续时间内渐变提升，而且不需要线性地增加。
[0033]已经为了说明和描述的目的提供了前面的实施方式的描述。前面的实施方式的描述不意在是详尽的或限制本公开内容。【具体实施方式】的各个元件或特征通常不限于该【具体实施方式】，但是，即使没有具体示出或描述，具体的实施方式的各个元件或特征在可应用的情况下是可替换的并且可以用于所选择的实施方式中。其也可以以许多方式变化。这样的变化不被认为是偏离本公开内容，并且所有这样的修改意在被包括在本公开内容的范围内。
【权利要求】
1.一种静态转换开关，包括: 优选输入端子，被配置为接收来自优选电压源的电力； 替代输入端子，被配置为接收来自替代电压源的电力，其中来自所述优选电压源和所述替代电压源的电力具有正弦波形； 负载端子； 第一开关装置，其电连接在所述优选输入端子与所述负载端子之间，其中所述第一开关装置包括一个或更多个半导体开关； 第二开关装置，其电连接在所述替代输入端子与所述负载端子之间，其中所述第二开关装置包括一个或更多个半导体开关；以及 控制器，被配置为监视所述优选电压源和所述替代电压源中的至少之一的工作参数，并且进行操作以根据所监视的工作参数选择性地将所述优选电压源或者所述替代电压源之一耦合到所述负载端子，其中，所述控制器与所述半导体开关接口，并且当检测到所述负载端子处的电力中断时，以启动模式控制所述半导体开关的导通状态，使得所述负载端子处的电压幅度被设置为显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.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，所述半导体开关被进一步限定为硅控整流器。
3.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，所述第一开关装置被进一步限定为以背对背配置彼此并联布置的两个硅控整流器。
4.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，所述控制器使用相位触发控制来控制所述半导体开关的导通状态。
5.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，在检测到超过所述正弦波形的一个周期的电力中断时，所述控制器以所述启动模式控制所述半导体开关的导通状态。
6.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，所述控制器控制所述半导体开关的导通状态以线性地增加所述负载端子处的电压，直到所述幅度达到所述峰值。
7.如权利要求1所述的静态转换开关，其中，所述控制器控制所述半导体开关的导通状态以将所述优选输入端子电耦合到所述负载端子，并且还控制所述半导体开关的导通状态，以在所述优选电压源的所述工作参数落在工作参数的可接受范围之外时，将所述替代输入端子电耦合到所述负载端子，以及将所述优选输入端子与所述负载端子去耦。
8.一种用于操作静态转换开关的方法，包括: 由控制器检测施加在所述静态转换开关的负载端子处的电压的中断，其中，所述电压具有正弦波形； 由所述控制器使用介于电压源与所述负载端子之间的一个或更多个硅控整流器的相位触发控制来控制输出端子处的电压幅度，其中，响应于检测到所述负载端子处的电压中断来控制所述电压幅度，并且所述电压幅度被设置为小于正弦波形的峰值的值；以及 在给定时间段内逐步增加所述输出端子处的所述电压幅度，直到所述幅度达到峰值。
9.如权利要求8所述的方法，还包括监视施加给所述输出端子的电压并且检测所述电压的超过所述电压的所述正弦波形的一个周期的中断。
10.如权利要求8所述的方法，其中，控制所述输出端子处的幅度还包括:基于所述正弦波形的频率和所述给定时间段来确定接通所述整流器的相位角，并且在所确定的相位角处接通所述整流器。
11.如权利要求8所述的方法，还包括线性地增加所述负载端子处的所述电压幅度，直到所述幅度达到所述峰值。
12.如权利要求8所述的方法，还包括: 从优选电压源接收施加给所述负载端子的电压； 关于工作参数的可接受范围，对所述电压进行监视；以及 当所述电压落在工作参数的所述可接受范围之外时，将所述负载端子选择性地耦合到替代电压源。
13.一种具有能够耦合到变压器的负载端子的静态转换开关，包括: 优选输入端子，被配置为接收来自优选电压源的交流电压信号； 替代输入端子，被配置为接收来自替代电压源的交流电压信号； 第一开关装置，其电连接在所述优选输入端子与所述负载端子之间，其中所述第一开关装置包括一个或更多个半导体开关； 第二开关装置，其电连接在所述替代输入端子与所述负载端子之间，其中所述第二开关装置包括一个或 更多个半导体开关；以及 控制器，其监视所述负载端子处的电压，并且控制所述半导体开关的导通状态，以选择性地将来自所述优选输入端子或所述替代输入端子的电压输出到所述负载端子，使得在所述电压的中断之后输出到所述负载端子的电压不依赖于自所述中断以来所经过的时间。
14.如权利要求13所述的静态转换开关，其中，所述控制器在所述中断之后以启动模式控制所述半导体开关的导通状态，使得所述负载端子处的电压的幅度显著小于所述交流电压信号的峰值并且逐步增加到所述交流电压信号的所述峰值。
15.如权利要求14所述的静态装换开关，其中，所述控制器在超过所述交流电压信号的一个周期的中断之后，以所述启动模式控制所述半导体开关的导通状态。
16.如权利要求15所述的静态装换开关，其中，所述半导体开关被进一步限定为硅控整流器。
17.如权利要求13所述的静态转换开关，其中，所述控制器使用相位触发控制来控制所述半导体开关的导通状态。
【文档编号】H02M1/06GK103812308SQ201310552696
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】特里·D·布什, 詹姆斯·M·米勒 申请人:力博特公司