CN1084327A

CN1084327A - 用于一种异步骤静态转换的方法和装置

Info

Publication number: CN1084327A
Application number: CN 93109536
Authority: CN
Inventors: R·科林
Original assignee: Powerline Systems Pty Ltd
Current assignee: Powerline Systems Pty Ltd
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1993-07-03
Publication date: 1994-03-23
Also published as: WO1994001915A1

Abstract

本发明涉及一种用来转换在两个或多个异步电源之间的负载的方法。当在该负载中的瞬时磁通量等于由第二电源所产生的磁通量时，该方法接通第二电源。通过与第二电源被接通时确保负载通量持续不变，从而避免了由于电流通量偏引起深度涌入电流，在第二方面，本发明提供了一种用来转换在两个或多个异步电源之间的负载的装置。

Description

本发明涉及一种用来对安置在两个异步交流电源之间的电负载进行转换的方法和装置。本发明寻求在初级电源和另一个电源之间的转换的应用。在某些应用中，为了维修的目的而可能必须要在两个电源之间进行转换，而在另外一些场合，万一初级电源出现故障时，则另一个电源可以作为一个备电源来使用。

在转换期间，必须要对电源断开和接通时所产生的瞬变过程进行处理。特别突出的问题是这些负载包含有磁路，诸如由马达和变压器所引起的瞬变现象可使得电流急剧上升。通常的静态开关是这样来克服这个问题的，即审慎的延长其电源中断时间，以便在连接另一个电源之前，使得该瞬变现象产生的影响被衰减。这虽然有减轻电流剧增现象的作用，但在将该电源转换到例如电子计算机这类敏感装置时就不能令人满意了。当这类敏感装置在连续操作时，仅能容许很短的电源中断时间。

根据第一方面，本发明提供了一种用来在第一和第二异步电源之间转换负载的方法。当在有源信号的各自的半个周期内启动时，每个电源至少具有一根由两个被设置为导通的转换器件连接到该负载的有源导线。该方法包括有如下步骤：

截止第一电源的转换器件;

监控第一和第二电源的转换器件的转换状态;

监控该负载电压;

监控第二电源电压;

摸拟该负载内的瞬时磁通量;

摸拟由第二电源产生的磁通量;和

当该负载内的瞬时磁通量等于由第二电源所产生的瞬时磁通量、第二电源的电压和输出电压使得被启动的转换器件将导通、和在该被启动的转换器件和第一电源的转换器件之间不存在有短路回路时，启动该第二电源的转换器件中的一个转换器件。

不论该负载的电抗特征如何（可能变化值得考虑），仍保持通量和电压之间的基本关系;通常正比于电压的时间积分。这是摸拟步骤中去摸拟一磁通量的依据。由于直流电源通量偏置而阻止了电流的剧增，从而确保了在第二电源被接通时该负载通量连续不变。

因为在一交流电源中的每个电源周期中，该通量两次达到相同的瞬时值，因而在每个周期中存在有二个接通的可能，并且在该电源的单一周期内可保证其接通。对于通常的50Hz电源来说，可在20毫秒内接通，甚至当该负载是高电感时也是可以达到的。对于大多数具有转换方式电源在100%至200%的安全系数范围内用一个转换时间工作的计算机装置来说，这个时间等级对其电源转换也绰绰有余。

在第二方面，本发明提供了一种用来转换在第一和第二异步电源之间的一个负载的装置。当在各自的有源信号的一半周期内启动时，每个电源至少有一根通过两个被设置为导通的转换器件与该负载相连的有源线。该装置包括有：

用来截止该第一电源的转换器件的装置;

用来监控该第一和第二电源的转换器件的被转换状态的装置;

用来监控该负载电压的装置;

用来监控该第二电源的电压的装置;

用来摸拟在该负载内的瞬时磁通量的装置;

用来摸拟由第二电源产生的磁通量的装置;和

当在该负载内的瞬时磁通量等于由第二电源产生的瞬时磁通量、在被启动器件和第一电源的转换器件之间不存在短路回路、以及第二电源电压和输出电压使启动转换器件将导通时，去启动该第二电源的传换器件中的一个转换器件的逻辑装置。

该转换器件最好是功率晶体管。为了转换任意大小的电流，首选器件是常用的可控硅。然而，其它的诸如TRIACS、闸门电路断开可控硅（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBTS）或任何其它系列的器件均可使用。对于每根导线来说，这些器件可以背对背地一对一对安置。在任何一对中的两个器件在各自的正半周和负半周内导通。

这些器件可由驱动它们的第三电极来启动或者截止，这样若不驱动它们的第三端它们就不会随升高的输入电压而被接通。

因为磁通量正比于电压的时间积分，所以可由电子积分器来作为摸拟该瞬时通量的装置。

该逻辑装置可由逻辑电路或数字电路来构成，另一方面它还可由一微处理系统来提供。

还应了解的是，本发明可以实现从第一电源到第二电源的转换，反之也可实现从第二电源到第一电源的转换。

本发明可应用于在单相，两相，三相或多相电源之间的转换，并且本发明还转换包括中线的所有电源线。当使用多相时，必须提供一对用于每相的导线及中线的转换器的导线。

现在，仅用参照附图的例子的方式来说明本发明，附图示出了本发明的一个实施例的功能块图。

该实施例示出了用于对两个具有通用中性线的单相电源进行的转换。

第一电源具有一有源线A1和一中性线N1。第二电源具有一有源线A2和一中性线N2。与负载相连接的输出端也具有一有源线A′和一中性线N′。

当可控硅1、2、3和4由它们各自的锁存器5、6、7和8启动时，则可控硅导通。

一个锁存器的真值表如下：

当D输入为低时则输出立即为低，且当D输入为高时，在下一个时钟脉冲到达之后，该输出为高。

锁存器5和6的D输入端与输入端RQ1相连，和锁存器7和8的D输入端通过一反相器34与输入端RQ1相连。在这种连接方式中，可控硅对1和2与可控硅对3和4不可能在相同时间被启动。

当可控硅1和2被启动时，它们在有源线A1上的第一电源信号的各自半周里导通。可控硅1在正半周导通，产生输出A1⁺。在正半周期里可控硅2不导通。在负半周里一旦可控硅1截止，则可控硅2导通。在负半周期间，可控硅2通过负半周A1^-，在这种方式中，在有源线A1上的电源信号的两个半周被提供给输出端或负载端A′。

如果用户由于任何原因而决定从第一电源转换到第二电源，例如，第一电源降到了可容许值之外。在输入端RQ1上的信号改变状态，使得锁存器5和6的D输入端和Q输出端均为低。由于锁存器5和6的Q输出端为低，则可控硅1和2截止。如果这种情况发生在第一电源的正半周期间，那么流经可控硅1的电流将减小直到该可控硅完全截止。当半周开始时，可控硅2不能导通，并且下一个正半周可控硅1将不导通。该导通可控硅的精确的断开时间是不可予料的，但这对电路的工作并不重要。

当输入端RQ1改变状态时，锁存器7和8的D输入端为高。由于一旦下一个时钟脉冲到达锁存器7和8的Q输出端为高，则可控硅2和4被使能。到达两个锁存器的时钟脉冲是单独得到的，并且当三个条件均同时满足时，可控硅3和4中的一个将由到达各自的锁存器的一个时钟脉冲触发而接通。

锁存器5、6、7和8中的任何一个的时钟输入端与相应的“与”门9、10、11和12的输出端相连。每个“与”门具有三个输入端，为了给它们各自的锁存器的时钟输入端提供一个高输出，每个输入信号必须是高。

对于一个“与”门触发一个可控硅的首要条件是确定另外电源的可控硅断开和不导通，或者如果导通，则将在导致由所被触发的可控硅来获取电流的方位上导通该“与”门9，10，11和12的每一个与其相应的“或”门21，25，29和33相连接，并且与它们各自的比较器19和20，23和24，27和28以及31和32相连接，以便去检验这个状态，每个比较器具有两个输入端并且提供如下表给出的比较：

对于一个“与”门去触发一个可控硅的第二个必要条件是可控硅处于选择该负载的位置。换句话说，为了使一个可控硅被安置去通过正半周，该电源电压必须要高于该端电压;和为了使一个可控硅被安置去通过负半周，该电源电压必须要低于该输出端压电。“与”门9、10，11和12的第二输入端被连接到各自的比较器18，22，26和30，以便对这个状态进行检验。

对于一个“与”门去触发一个可控硅的第三个必要条件是在该器件的每一边的磁通量相等。换句话说，在该负载中对于器件3和4磁通量必须等值于由第二电源A₂所产生的磁通量。

三个积分器13，14和15分别对第一电源电压、第二电源电压积分并且向该负载输出电源电压。因为电压的时间积分正比于磁通量，所以积分器13，14和15的输出I1，I2和I′分别表示了第一电源，第二电源和负载的摸拟通量。

比较器16对积分器13和15的输出（也即第一电源的通量I1和负载的通量I′）进行比较，并且当它们相等时产生一个第一通量等效信号φ＝1。

相类似地，比较器17对积分器14和15的输出I2和I′进行比较，并且当它们相等时，产生一个第二通量等效信号φ＝2。

信号φ＝1和φ＝2是窄脉冲，每次出现的窄脉冲等效于各自电源和输出端之间的瞬时通量。该脉冲的有限宽度相对于该交流电流主频来说并不重要。在各自电源的每个周期内，该脉冲φ＝1和φ＝2出现两次。它们的每一个都被提供给与它们的各自电源相连的两个“与”门，因此脉冲φ＝1被提供到第一电源的“与”门9和10，脉冲φ＝2被提供到第二电源的“与”门11和12。

该“与”门确保两个锁存器在恰当的时间启动它们各自的可控硅。

更详细地说，为了使可控硅3变为导通，对“与”门11的三个要求是：

第一电源电压必须大于该负载电压（A1＞A′）或第一电源电压必须小于负载电压减去可控硅（X）两端的电压（A1＜（A′-X）。如果任一个（或两个）条件被满足，则相应的比较器27和28产生一个高输出和“或”门29也产生一个高输出。这表明A1可控硅1和2不是两个都截止就是至少可控硅2被截止。如果与可控硅2接通时可控硅3导通，则会产生一个破坏性的短路电流。因为在第二电源上的有源信号将拾取在第一电源上的有源信号，所以如果可控硅1是仍然导通时，这个逻辑配置将有效地允许可控硅3的导通触发。

第二，第二电源电压必须要大于负载电压（A₂＞A′），这是由比较器26检验的，除非能够探测出该负载，这种检验防止了可控硅3的触发。

第三，当前两个要求均满足时，还必须要具有来自比较器17的第二通量等效信号φ＝2，表明在该负载中的通量等于由第二电源所产生的通量。

当所有三个条件均满足时，在第二通量等效脉冲出现瞬间，进入正半周的第二电源出现在输出端A′。

在之后的半周里，当该通量等效脉冲再次出现，“与”门12将经锁存器8触发可控硅4，使它通过第二电源的负半周A₂ ^-进入导通。

在接下去的周期里，只要RQ1的输入为低和锁存器5和6的输入为低时，可控硅1和2就不可能导通。而当第二电源电压进入适当的半周时，可控硅3和4将导通。

选择信号输入端RQ1可以由取决于本发明所要求的用途和功能的若干装置来驱动，例如输入端RQ1可由手动开关来驱动，或由计算机驱动，或者通过诸如检测电源故障的电压故障检测电路之类的检测电路来驱动。由于这个原因，本发明可以与诸如放电和浪涌保护，隔离和噪声抑制、正弦波稳定检测或过载保护电路等电源保护特性相结合。还可以包含某些情报性能，例如检测正常电源是在一可允许的范围内，检测替换电源是在可允许的范围内，检测替换电源是在可允许的范围内。

应当了解，虽然对本发明的描述是参照一个特定的实施例来进行的，但也可包括其它很多形式，例如对于相似或不同类型的转换器件，该逻辑元件有多种排列均可用来获得相同的功能。

Claims

1、一种用来在第一和第二异步电源之间转换负载的方法，当电源在该有源信号的各自半个周期内启动时，每个电源至少具有一个由两个设置为导通的转换器件连接到该负载的有源导线；该方法包括有如下步骤：

截止第一电源的转换器件；

监控第一和第二电源的转换器件的转换状态；

监控负载电压；

监控第二电源电压；

摸拟该负载内的瞬时磁通量；

摸拟由第二电源产生的磁通量；和

当在该负载内的瞬时通量等于由第二电源产生的瞬时磁通量、第二电源的电压和输出电压使被启动的转换器件导通、以及在被启动的转换器件和第一电源的转换器件之间不存在有短路时，启动第二电源的转换器件中的一个转换器件。

2、根据权利要求1所述的转换方法，其中该磁通量是相对于时间电压积分而摸拟的。

3、一种用来在第一和第二异步电源之间转换负载的装置，当在该有源信号的各自半周期启动时，每个电源至少具有一根通过两个被安置为导通的转换器与该负载相连接的有源导线;该装置包括：

用来截止第一电源的转换器件的装置;

用来监控第一和第二电源的转换器件的被转换状态的装置，

用来监控该负载电压的装置;

用来监控第二电源电压的装置;

用来摸拟在该负载内的瞬时磁通量的装置;

用来摸拟由第二电源产生的磁通量的装置;和

当在该负载内的瞬时磁通量等于由第二电源所产生的瞬时磁通量、在被启动器件和第一电源的转换器件之间不存在短路回路、和第二电源电压和输出电压使得启动的转换器件导通时，去启动第二电源的转换器件的一个转换器件的逻辑装置。

4、根据权利要求3的装置，其中该转换器件是功率半导体器件。

5、根据权利要求4的装置，其中该转换器件是可控硅。

6、根据权利要求3至5中的任一个权利要求的装置，其中用来摸拟该瞬时磁通量的装置是电子积分器。

7、根据权利要求3至6中的任一个权利要求的装置，其中该逻辑装置是由摸拟电路或数字电路所构成。

8、根据权利要求3至6中的任一个权利要求的装置，其中该逻辑装置是由微处理机系统所提供的。

9、一种实质上根据附图所描述的方法。

10、一种实质上根据附图所描述的装置。