CN101243590B - 用于限制交流涌流的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于限制至电源的交流涌流的系统。该系统包括磁耦合至电源的变压器的芯的第一、第二和第三线圈。该系统还包括第一低压接触器和第二低压接触器。该系统进一步包括连接在第一低压接触器和第一线圈之间的第一低压阻抗元件、连接在第二低压接触器和第一线圈之间的第二低压阻抗元件、连接在第一低压接触器和第二线圈之间的第三低压阻抗元件和连接在第二低压接触器和第二线圈之间的第四低压阻抗元件。

Description

用于限制交流涌流的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年8月18日提交的美国临时专利申请号60/709,392的优先权权益。
背景技术
本申请公开了通常和在各种实施例中涉及在对电源供以能量时限制交流涌流的系统和方法的发明。
对于许多电源来说，当功率被突然施加给电源的输入变压器时，该变压器通常遭受到相当大的通过该变压器的涌流。该涌流包括由于对该电源中的直流电容器的充电所引起的第一分量和由于该变压器铁芯的饱和所引起的第二分量。
通常，二次电流仅在涌流的第一周期中流过，且直流电容器在该第一周期结束时被完全充电。该涌流引起直流电压的过冲。由于尺寸和成本限制，可用于缓解涌入期间直流电压过冲的直流电容器的数量受到限制。涌入期间直流电容器电压的过冲归因于在涌入期间出现的大充电电流时在杂散的或蓄意的电感中所存储的能量。一般来说，充电电流维持不到一个周期。相同的电容器充电电流被感应到初级线圈中，且大小为电容器充电电流除以变压器的匝数比。
除了从(多)次级线圈感应至初级线圈的充电电流外，在初级线圈中还可能有仅由于铁芯的饱和而引起的附加电流。这些饱和电流在随后的几个周期重复，即使次级充电电流在第一周期后基本为零。初级电流的这些多个脉冲使变压器的初级线圈以及配电系统受到应力。当铁芯饱和时，涌流主要由初级线圈的自感所限制，因此该涌流可能很大。由于来自该暂态的直流偏置磁链缓慢衰减，初级峰值电流在每个连续周期上逐渐减小，使得饱和稍后发生在每个周期中。然而，饱和电流的脉冲可能持续20个或更多个周期。
发明内容
在一个概括方面，本申请公开了一种用于限制交流涌流的系统。根据各种实施例，该系统包括磁耦合至电源的变压器芯的第一、第二和第三线圈。该系统还包括第一低压接触器和第二低压接触器。该系统进一步包括连接在第一低压接触器和第一线圈之间的第一低压阻抗元件、连接在第二低压接触器和第一线圈之间的第二低压阻抗元件、连接在第一低压接触器和第二线圈之间的第三低压阻抗元件和连接在第二低压接触器和第二线圈之间的第四低压阻抗元件。
在另一概括方面，本申请公开了一种用于限制至电源的交流涌流的方法。根据各种实施例，该方法包括利用通过磁耦合至电源的变压器的线圈所输送的低压功率对电源的电容器进行充电，利用通过所述线圈所输送的低压功率对该变压器进行磁化，和当电容被充电且变压器被磁化后施加满电压给该电源。
附图说明
通过实例结合下述附图在此对本发明的各种实施例进行描述。
图1示出了用于限制至电源的交流涌流的系统的各实施例；
图2示出了图1电源的功率单元的各实施例；
图3示出了用于限制至电源的交流涌流的系统的各实施例；
图4示出了用于限制至电源的交流涌流的系统的各实施例；
图5示出了用于限制至电源的交流涌流的系统的各实施例；和
图6示出了用于限制至电源的交流涌流的系统的各实施例。
具体实施方式
应当理解的是，为了清楚理解本发明，对本发明的至少一些图和说明书进行了简化以聚焦于理解相关的元件，尽管为了清楚起见去除了其它元件，但本领域技术人员应明白这些元件也可构成本发明的一部分。然而，由于这些元件在本领域中是公知的，且由于其不一定利于更好地理解本发明，因此在此未对这些元件进行说明。
图1示出了用于限制电源12的交流(AC)涌流的系统10的各实施例。为了清楚起见，图1的部分以传统的单线(one-line)形式示出。电源12例如可以是中压电源、高压电源等等。如此处所采用的，术语低压、中压和高压彼此是相对的，且术语中的每一个都意在涵盖本领域技术人员所公认的通常含义。例如，中压可被认为是大于600伏、小于69千伏等等。电源12通常包括主接触器14、变压器16和功率单元18。
主接触器14可以是连接到三相分配系统的三中压电力线的三相接触器，并可如本领域公知的那样包括任意数量的辅助触点。根据各实施例，主接触器14可以是真空接触器，并可针对耦合到电源12的负载(如，电机)的满电流和电压来定额。
变压器16包括芯20(如，铁芯)、磁耦合至芯20的初级线圈22、和磁耦合至芯20的次级线圈24。初级线圈22被耦合至主接触器14，次级线圈24被耦合至功率单元18。尽管在图1中示出了三个初级线圈22和九个次级线圈24，但本领域技术人员应当明白该变压器16可包括任意数量的初级和次级线圈22、24。
功率单元18可以是将三相交流功率转换为滤波后的直流电压的任一类型的子电路，其中所述直流电压可以是本身即为功率单元18的输出或可由功率单元18中的另外子电路作进一步处理。尽管在图1中示出了十二个功率单元18，但本领域技术人员应当明白电源12可包括任意数量的功率单元18，每个次级线圈24可耦合至不同的功率单元18，且施加给一个功率单元18的电压的相位可与施加给另一功率单元18的电压的相位不同。
图2示出了功率单元18的各实施例。在图2中所示的功率单元18可代表电源12中的全部功率单元18。该功率单元18包括对三相功率进行整流的二极管26、对所得到的直流电流进行平滑的至少一个电容器28、和开关装置30。该功率单元18可以是在美国专利号5,625,545中所描述的功率单元，其全部内容在此作为参考而被引用。
系统10包括连接至三相分配系统的三低压交流电力线和电源12的变压器16的次级线圈24中的一个的预充电电路40。该预充电电路40包括变压器42、接触器44、和阻抗元件46(例如，每相支路的一个阻抗元件)。
变压器42可包括芯(未示出)、磁耦合至变压器42的芯的初级线圈(未示出)、和磁耦合至变压器42的芯的次级线圈(未示出)。变压器42的初级线圈被耦合至三低压交流电力线，变压器42的次级线圈被连接至接触器44。
接触器44可以是三相接触器，并如本领域公知的那样可包括任意数量的辅助触点(未示出)。阻抗元件46被连接在接触器44和电源12的变压器16的次级线圈24中的一个之间。根据各实施例，阻抗元件46可以是电容器、电感器、电阻器、或其任一组合。根据各实施例，每相支路都可具有连接在接触器44和次级线圈24中的一个之间的其自己的阻抗元件46。根据其它实施例，相支路中的仅两个可以具有连接在接触器44和次级线圈24中的一个之间的其自己的阻抗元件46。
在工作中，低压三相交流功率被施加给接触器44和阻抗元件46用以给变压器16的次级线圈24中的一个供以能量。当功率单元18的电容器28全部已被充电之后且当变压器16的芯20中的磁通已被稳定化后，主接触器14闭合。之后不久，接触器44打开。
当电源12工作时，变压器16的次级线圈24将载有大的共模电压(基准地)。为了有效阻止该共模电压传递回连接至接触器44的低压交流电力线，接触器44可被要求为中压额定接触器。为了确保由变压器42输送给连接至阻抗元件46的次级线圈24的电压的幅值和相位与由变压器16输送给次级线圈24的电压的幅值和相位相同，变压器42可被配置为具有中压隔离和相位调节能力的低压变压器。例如，变压器42的初级线圈可以是低压额定初级线圈，变压器42的次级线圈可以是低压额定次级线圈，初级与次级线圈间的绝缘可被构造和布置用以阻隔中压。变压器42可被构造和布置来调节其相移用以调节在施加给接触器44的三相功率和由变压器16施加给连接至预充电电路40的次级线圈24的功率之间的任何差异。
图3示出了用于限制至电源12的交流涌流的系统50的各实施例。为了清楚起见，图3的部分用传统的单线形式示出。系统50包括连接至三相分配系统的三低压交流电力线的预充电电路52。该预充电电路52包括第一低压接触器54、第二低压接触器56、第一低压阻抗元件58(例如，用于各相支路的一个第一低压阻抗元件)、第二低压阻抗元件60(例如，用于各相支路的一个第二低压阻抗元件)和三个线圈62。
第一低压接触器54可以是三相接触器，且如本领域公知的那样可包括任意数目的辅助触点(未示出)。该第一低压接触器54被连接至三低压交流电力线上。第二低压接触器56可以是三相接触器，且如本领域公知的那样可包括任意数目的辅助触点(未示出)。第二低压接触器56被连接至该三低压交流电力线上。
第一低压阻抗元件58连接在第一低压接触器54和线圈62之间。第二低压阻抗元件60连接在第二低压接触器56和线圈62之间。根据各实施例，第一低压阻抗元件58可以是电容器，电容器58可被设计大小用以基本上具有与变压器16的磁化阻抗相同的阻抗。第二低压阻抗元件60可以是电阻器，并且电阻器60可被设计大小用以具有相当于电容器58的阻抗的约十分之一的阻抗。
根据各实施例，每相支路都可具有连接至其相关线圈62的其自己的第一低压阻抗元件58和其自己的第二低压阻抗元件60。对这样的实施例，预充电电路52可包括三个低压阻抗元件58(每相一个)和三个第二低压阻抗元件60(每相一个)。根据其它实施例，相支路中的仅两个可具有其自己的第一低压阻抗元件58和其自己的第二低压阻抗元件60。对这样的实施例，预充电电路54可包括两个第一低压阻抗元件58和两个第二低压阻抗元件60。
三线圈62被磁耦合至变压器16的芯20，并被配置为变压器16的次级线圈。如图3所示，根据各实施例，三线圈62可以是星形(WYE)连接的，并且预充电电路52还可包括连接至星形连接的线圈62的中性点和基准电势(如，地)的电阻64。在图3中所示星形连接的情况下，系统10被配置用以产生三个具有120°间隔的矢量。
由于预充电电路52的每个构件均为低压额定的，所述构件通常比相当的中压或高压构件小和便宜，不需要任何金属铠装室，且与相当的中压和高压构件相比可以以较小的击距和爬距(strike and creep distance)进行封装。
在工作中，对于各相支路都具有其自己的第一和第二低压阻抗元件58、60的实施例来说，第一低压接触器54闭合，从而使电流经由第一低压阻抗元件58流至线圈62。当第一低压阻抗元件58为电容器时，每个电容器58上的电压降可用于增加可用预充电源电压。这使得即使在可用预充电源电压低于标称值时预充电过程也能完成。由于低压三相交流电功率可以处于60赫兹的频率，并且第一低压阻抗元件58分别在60赫兹频率处可具有大的阻抗，所以该第一低压阻抗元件58可用于将流至三线圈62的初始电流限制为相对小的值。因为三线圈62和每个次级线圈24磁耦合至变压器16的芯20，所以即使三线圈62中的每一个均未直接连接至任一功率单元18，三线圈62也能将电压传送给功率单元18。
如果在电源12的阻止功率单元18的电容器28达到满充电的电路中存在故障，则流经第一低压接触器54和第一低压阻抗元件58的受限电流将避免或最小化任何进一步的损坏。此外，由于该第一低压阻抗元件58为电抗性的并因而具有很低的损耗，所以该第一低压阻抗元件58能安全地保持连接足够长时间用以故障被检出，并且预充电过程可被中断。
当施加给三线圈62的电压(V2)变得基本等于施加给第一低压接触器54的电压(V1)时，第二低压接触器56闭合。闭合第二低压接触器56有效地在各相支路中利用第二低压阻抗元件60对第一低压阻抗元件58进行旁路(shunt)。由电容器58和变压器16的磁化电感所构成的谐振电路随后变得过阻尼的，使得施加给三线圈62的电压(V2)与施加给第一低压接触器54的电压(V1)大概保持相同的幅值。所产生的阻抗减小用于降低在施加给三线圈62的电压(V2)和施加给第一和/或第二低压接触器54、56的电压(V1)之间的相位误差。因此，第二阻抗元件60还可用于确保施加给三线圈62的电压(V2)的全部三相基本平衡。此外，第二阻抗元件60还可用于确保施加给三线圈62的电压(V2)的相角基本等于施加给第一低压接触器54的电压(V1)的相角。
当第二低压接触器56的辅助触头确认第二低压接触器56已经闭合后，第一低压接触器54打开，从而将第一阻抗元件58从低压三相交流电力线上断开。当第一低压接触器54的辅助触头确认第一低压接触器54已经打开后，电源12的主接触器14被供以电能。当主接触器14的辅助触头确认主接触器14已经闭合后，第二低压接触器56打开。
图4示出了用于限制至电源12的交流涌流的系统70的各实施例。为了清楚起见，图4的部分以传统的单线形式示出。系统70与系统50相似，其区别在于三线圈62以相对于系统50产生180°相移的方式被连接。通过该配置，系统70生成三个矢量，所述矢量位于由系统50所生成的矢量的中间位置。因此，通过如在图3和图4中所示的那样连接线圈62，可以以60°间隔生成总共六个矢量。从而可以将线圈62的相位与低压三相交流电功率的源匹配至30°以内。已知如果预充电阶段期间变压器电压的相位与正常运行期间变压器电压的相位明显不同，则在主接触器14闭合时可能发生的相位突变可能引起变压器饱和并引起大的涌流，即使此前磁通已被稳定化。在许多应用中，相位匹配至30°以内通常足以防止变压器饱和及引起大的涌流。
图5示出了用于限制至电源12的交流涌流的系统80的各实施例。为了清楚起见，图5的部分以传统的单线形式示出。系统80与系统50相似，其区别在于三线圈62为三角形(DELTA)连接的，并且预充电电路52可包括取代电阻器64的电阻器82。每个电阻82都连接至三角形连接的线圈62的不同节点和基准电势(如，地)。
图6示出了用于限制至电源12的交流涌流的系统90的各实施例。为了清楚起见，图6的部分以传统的单线形式示出。系统90与系统80相似，其区别在于三线圈62以相对于系统80产生180°相移的方式被连接。通过该配置，系统90生成三个矢量，所述矢量位于由系统80所生成的矢量的中间位置。因此，通过如在图5和图6中所示的那样连接线圈62，可以以60°间隔生成总共六个矢量。从而可以将三线圈62的相位与低压三相交流电功率的源匹配至30°以内。
根据各实施例，如果应当有必要达到优于30°的相位匹配，预充电电路52可同时包括星形连接和三角形连接的线圈62，或可包括增加的抽头，使得线圈62可以以星形或三角形连接。由于六个可能的星形矢量位于六个可能的三角形矢量之间的中间位置，因此这种配置可以以30°间隔生成总共十二个矢量。对于这样的实施例，可将线圈62的相位与低压三相交流电功率的源匹配至15°以内。
尽管在此通过实例描述了本发明的各种实施例，但本领域技术人员应明白在不背离由所附权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下，可以对所述实施例作出各种修改、替换和改编。例如，可以使用三个独立的低压接触器来取代三相接触器54。类似地，可以使用三个独立的低压接触器来取代三相接触器56。

Claims (20)

1.一种用于限制至电源的涌流的系统，所述电源包括具有芯、磁耦合至所述芯的初级线圈和磁耦合至所述芯并且耦合到多个功率单元的多个次级线圈的变压器，该系统包括：
与耦合到多个功率单元的多个次级线圈分离的并且磁耦合至电源的变压器的芯的第一、第二和第三线圈，所述第一、第二和第三线圈专用于对电源的电容器预充电；
第一低压接触器；
第二低压接触器；
连接在第一低压接触器和第一线圈之间的第一低压阻抗元件；
连接在第二低压接触器和第一线圈之间的第二低压阻抗元件；
连接在第一低压接触器和第二线圈之间的第三低压阻抗元件；和
连接在第二低压接触器和第二线圈之间的第四低压阻抗元件。
2.如权利要求1所述的系统，其中第一、第二和第三线圈被配置为变压器的次级线圈。
3.如权利要求2所述的系统，其中第一、第二和第三线圈为星形连接。
4.如权利要求3所述的系统，进一步包括连接至星形连接的线圈的中性点和基准电势的电阻器。
5.如权利要求4所述的系统，其中第一线圈与第二线圈相移120°，且第二线圈与第三线圈相移120°。
6.如权利要求2所述的系统，其中第一、第二和第三线圈为三角形连接。
7.如权利要求6所述的系统，进一步包括：
连接至第一和第二线圈的第一电阻器；
连接至第二和第三线圈的第二电阻器；和
连接至第一和第三线圈的第三电阻器，其中第一、第二和第三电阻器还连接至基准电势。
8.如权利要求7所述的系统，其中第一线圈与第二线圈相移120°，且第二线圈与第三线圈相移120°。
9.如权利要求1所述的系统，其中第一和第三低压阻抗元件为电容器。
10.如权利要求9所述的系统，其中第二和第四低压阻抗元件为电阻器。
11.如权利要求1所述的系统，进一步包括：
连接在第一低压接触器和第三线圈之间的第五低压阻抗元件；和
连接在第二低压接触器和第三线圈之间的第六低压阻抗元件。
12.如权利要求11所述的系统，其中：
第五低压阻抗元件为电容器；和
第六低压阻抗元件为电阻器。
13.如权利要求11所述的系统，进一步包括磁耦合至电源的变压器的第四、第五和第六线圈，其中第五和第六低压阻抗元件耦合至第四、第五和第六线圈中的一个。
14.一种用于限制至电源的涌流的方法，所述电源包括具有芯、磁耦合至所述芯的初级线圈和磁耦合至所述芯并且耦合到多个功率单元的多个次级线圈的变压器，该方法包括：
利用通过与耦合到多个功率单元的多个次级线圈分离的多个专用线圈所输送的低压功率对电源的电容器进行充电，所述专用线圈磁耦合至电源的变压器；
利用通过专用线圈所输送的低压功率对变压器进行磁化；和
当电容器被充电且变压器被磁化后施加满电压给电源。
15.如权利要求14所述的方法，其中对电容器进行充电包括通过低压阻抗元件分配电流给专用线圈。
16.如权利要求14所述的方法，其中对变压器进行磁化包括通过低压阻抗元件分配电流给专用线圈。
17.如权利要求14所述的方法，其中对电容进行充电和对变压器进行磁化同时发生。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在施加满电压给电源之前，利用耦合至专用线圈中的一个的第二低压阻抗元件对耦合至该同一线圈的第一低压阻抗元件进行旁路。
19.如权利要求18所述的方法，其中旁路包括利用低压电阻器对低压电容器进行旁路。
20.如权利要求14所述的方法，其中施加满电压包括施加下述中的一个给电源：
中压；和
高压。
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