CN109417289B - 用于产生触发电气保护元件的短路电流的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过包括电气组件(8)的电源装置(1)产生短路电流的方法，其用于使连接在负载(3)和所述电源装置(1)之间的保护元件(6)跳闸。响应于在电源装置(1)中检测到电气故障的情况，从而利用缩短的触发时间来消除短路故障，产生交流短路电流(120)，该交流短路电流为：‑对于所述信号的第一周期，电流幅度等于所述电源装置(1)的电气组件(8)能够承受的最大电流幅度；并且‑对于随后的周期，电流幅度根据所述电气组件(8)的热惯性而减小。

Description

用于产生触发电气保护元件的短路电流的方法
技术领域
本发明涉及一种不间断电源，更具体而言，涉及一种使用不间断电源装置产生短路电流的方法，从而使位于由不间断电源装置供电的设备中的保护装置跳闸。
背景技术
不间断电力源或不间断电源(UPS)是这样的一种电子电源装置：无论电网发生什么情况，其都能够输送稳定的交流电(AC)，而不会有任何中断或微中断。
UPS通常用于向诸如数据中心(例如数据托管中心或工业网站)之类的建筑物供电。
术语“逆变器”经常被误用来指代整个装置。这适用于例如设置在计算机中心的电源网络和服务器之间的逆变器。
UPS包括将交流电压转换成直流电压的转换器(或“整流器”)、储能装置(例如蓄电池或超级电容)以及从直流电压产生交流电压且工作在固定频率的转换器(或“逆变器”)。
UPS的各个电力转换器由电子功率装置和嵌入式程序控制。
连接到UPS的输出端端子的负载的短路可能会导致UPS的电力输送故障。当发生会导致UPS的电力输送故障的各种情况时，为了隔离这些故障，在UPS和负载之间连接有各种保护元件，如保险丝或断路器。
为了在故障出现后使这些保护元件尽快跳闸，UPS需要在故障出现后尽快提供尽可能多的能量。换句话说，UPS需要输送的能量(该能量对应于电流的平方乘以时间的乘积i2t)需要最大化，直到保护电路跳闸。由电流峰值生成的能量峰值用于使连接在负载和UPS之间的保护电路跳闸，即隔离负载故障。更准确地说，该电流峰值旨在熔断保险丝，从而断开保险丝，或者使断路器跳闸，或者更一般而言，使位于故障上游的电气断开装置跳闸。
与产生短路电流相关的主要困难是能够输送这样的电流，同时保持处于逆变器能够承受的热条件下，即避免逆变器的其它元件(例如其半导体)的任何劣化的热条件下。
具体而言，非常高幅度的短路电流通过整个电路，因此电路中的各种电气组件由于该电流而发热。
此外，并非所有的电气组件都能承受通过它们的相同的最大电流。
因此，每个组件呈现出极限特性，特别是极限电流或极限幅度以及极限温度；超过所述极限电流或极限幅度，不管施加电流的时间长度如何，组件都会被损坏，而超过所述极限温度，电气组件会有被损坏的风险。
传统解决方案在于：以与正常情况下(即无故障时)所输送的电压信号相同的频率输送方波交流电。图1中示出了这种交流电的示例，其幅度在整个故障持续时间内是恒定的，并且该交流电施加的持续时间不超过UPS的极限热条件，即施加的持续时间避免组件的温度超过所述组件可接受的极限值。
第二种已知解决方案在于提供这样的方波交流电：该方波交流电在第一持续时间期间呈现第一幅度，并且在第一持续时间之后的第二持续时间期间呈现不同于第一幅度的第二幅度，如图2所示，图2示出了该第二种已知解决方案中交流电信号的示例。
在生成方波交流电的第一时间(即在第一持续时间期间)，方波交流电呈现出比图1所示的传统解决方案中信号的恒定幅度更高的第一幅度。假设电流输送的能量对应于电流的平方乘以施加电流的持续时间的乘积(即i2t)，则在第一时间期间(即第一持续时间期间)输送的能量大于上述图1的传统解决方案中的能量。大多数故障情况都是在这些第一时间期间处理的，即在大多数情况下，保护装置(例如断路器或保险丝)在第一步骤中跳闸。
在第一时间之后的时间内，即在紧接着第一持续时间的第二持续时间期间，输送的电流减小到非零值，该非零值符合UPS组件的极限热条件，即电流呈现出低于第一幅度且低于图1所示的传统解决方案的恒定幅度的第二幅度。该第二持续时间通常用于使用延时跳闸断路器的情况，或者保险丝处于熔断极限的情况。
尽管如此，上述两种已知的解决方案无法利用UPS的所有可用能力来防护电气故障。
发明内容
本发明致力于提供一种能够使由电源装置输送的短路电流的幅度最大，直到保护元件跳闸，同时控制根据电源装置的电气组件的热惯性的短路电流随时间的幅度的方法。
本发明首先提供了一种通过具有电气组件的电源装置产生短路电流的方法，其目的是使连接在负载和所述电源装置之间的保护元件跳闸。
根据本发明的一般特征，响应于在电源装置中检测到电气故障的情况而产生交流短路电流，所述交流短路电流为：
-对于所述信号的第一周期，电流幅度等于所述电源装置的电气组件能够承受的最大电流幅度；并且
-对于随后的周期，电流幅度根据所述电气组件的热惯性而减小。
因此，所述方法可以在检测到故障时首先输送幅度尽可能大的短路电流，从而在检测到电气故障后的第一时间最大化使保护元件跳闸的可能性，然后持续最大化短路电流随时间输送的能量的大小，直到故障与电路隔离，即，直到保护元件跳闸。
短路交流电信号的幅度根据电源装置的组件的热惯性而减小的依赖关系可以与短路信号的波形匹配，也可以与电源装置的组件的极限热条件匹配，从而充分利用电源装置的性能潜力。当保护元件是保险丝时，这样尤其可以在第一时间输送最大可能量的热能，以便使保险丝尽快熔断，从而在检测到故障情况后尽快将电源装置与负载隔离。
每个组件可以施加与最大适用电流的幅度相关的极限和/或与所述组件能够承受的极限温度相关的极限。
因此，通过本发明的方法输送的短路电流信号的波形可以输送最大值大于上述两种已知解决方案中的任一种的最大值的短路电流，并且输送大小大于上述两种已知解决方案中的任一种的大小的能量(其对应于乘积i2t)。并且这可以在不使用尺寸过大的逆变器的情况下实现。
根据电源装置的电气组件的热惯性，紧接在第一周期之后的周期的幅度呈现出小于或等于前一周期的电流幅度。因此，可以在短路电流的多个第一周期上具有第一周期的最大幅度。
所述信号可以是从某一时刻开始幅度随时间减小的方波信号。换句话说，交流短路电流可以是根据所述电气组件的热惯性进行幅度调制的方波信号。
信号同样可以很好地呈现任何其它交流电信号波形，例如可以根据所述电气组件的热惯性对信号进行幅度调制的正弦波或三角波。
与任何其它交流电信号相比，方波信号的优点在于，与交流电信号的其它波形相比，方波信号在一个周期内输送的电流量最大，即在半个周期内，电流的积分大于交流电信号或三角形信号的电流的积分。换句话说，与任何其它交流电信号波形相比，方波波形能够使短路电流随时间输送的能量最大。
在产生短路电流的方法的第一实施方案中，交流短路信号的所述随后的周期可以呈现伪方波波形，伪方波波形的上升沿和下降沿以及两个沿之间的极值呈现出根据所述电气组件的热惯性而减小的波形。
因此，通过本发明的方法输送的短路电流信号的波形与组件的热惯性更好地匹配，以便输送最大短路电流值和更大的能量大小。
具体而言，对于第一周期之后的周期，电流信号的幅度不仅从一个周期到另一个周期连续减小，而且在信号的给定周期内，伪方波波形的波峰呈现的值不是恒定的，而是对于正波峰，在该周期的上升沿和下降沿之间减小的绝对值，以及在下降沿和该周期的下一上升沿之间减小的绝对值。
换句话说，短路交流电可以是根据所述电气组件的热惯性而进行幅度调制的方波信号，并且其中两个沿之间的电流值根据所述电气组件的热惯性进行相同的调制。
在产生短路电流的方法的第二实施方案中，在产生短路电流之前，该方法可以包括访问存储器，存储器包括为了使保护元件跳闸而生成的短路电流的图表。
在产生短路电流的方法的第三实施方案中，图表可以通过确定电源装置的每个组件能够承受的最大电流值以及通过确定每个所述电气组件的热惯性来预先绘制。
在产生短路电流的方法的第四实施方案中，保护元件可以包括保险丝，并且使保护元件跳闸可以包括断开保险丝。
在产生短路电流的方法的第五实施方案中，所述信号的第一周期可以呈现方波波形。
本发明还提供一种电源装置，其包括：用于连接到负载的端子、用于连接到供电网络的端子、电气组件和保护控制单元，所述保护控制单元配置为产生短路电流以使连接在所述负载和所述电源装置之间的保护元件跳闸。
根据本发明的一般特征，保护控制单元配置为通过输送交流短路信号来响应在电源装置中检测到的电气故障情况，该交流短路信号为:
-对于所述信号的第一周期，电流幅度等于所述电源装置的电气组件能够承受的最大电流幅度；并且
-对于随后的周期，电流幅度根据所述电气组件的热惯性而减小。
在电源装置的第一实施方案中，所述装置可以进一步包括存储器，该存储器存储为了使保护元件跳闸而生成的短路电流的图表。
在电源装置的第二实施方案中，可以通过确定电源装置的每个组件能够承受的最大电流值以及通过确定每个所述电气组件的热惯性来预先制作图表。
在电源装置的第三实施方案中，保护元件可以包括保险丝。
附图说明
通过阅读以非限制性描述的方式给出的如下说明并且参考附图将更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了第一种已知解决方案中的交流电信号的示例；
图2示出了第二种已知解决方案中的交流电信号的示例；
图3示出了在本发明的方法的实施方案中产生的交流电信号的示例；
图4为将图1和图2的两种传统解决方案的短路电流根据时间的幅度与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的短路电流根据时间的幅度进行比较的曲线图；
图5是将图1和图2的两种传统解决方案的短路电流随时间输送的能量与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的短路电流随时间输送的能量进行比较的曲线图；
图6是将图1和图2的两种传统解决方案的UPS的电气组件(具体为功率半导体)随时间的温度变化与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的UPS的电气组件(具体为功率半导体)随时间的温度变化进行比较的曲线图；
图7是在本发明的实施方案中产生短路电流的方法的流程图；以及
图8是示出本发明实施方案中的电源装置的示意图。
具体实施方式
图3示出了在本发明方法的实施方案中产生的交流电信号的示例。
短路电流信号是交流电信号，该交流电信号包括具有方波信号形式的第一周期，该方波信号的电流幅度等于所述电源装置的电气组件能够承受的最大电流幅度。
短路信号的随后周期呈现伪方波波形，其上升和下降沿非常陡峭，但波峰呈现下降的形状。因此，在第一周期之后的周期呈现出电流幅度根据所述组件的热惯性减小的交流电信号。
因此，对于第一周期之后的周期，交流电信号的幅度不仅从一个周期到下一个周期连续减小，而且在信号的单个周期内也减小，伪方波信号的波峰不是恒定的相应值，而是对于正波峰，在该周期的上升沿和下降沿之间减小的绝对值，以及在下降沿和该周期的下一上升沿之间减小的绝对值。
在变体中，信号可以具有一些其它交流电波形，例如正弦波或三角波，从周期性交流电信号的第二周期开始，信号根据所述电气组件的热惯性进行幅度调制。
如图4所示，图4为将图1和图2的两种传统解决方案的短路电流根据时间的幅度与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的短路电流根据时间的幅度进行比较的曲线图，因此，本发明的信号波形可以在检测到故障后的初始时间输送幅度较大的短路电流，并且持续减小，直到保护元件跳闸。
在图4中，用实线绘制本发明的方法的电流幅度变化，用虚线绘制图1的已知传统解决方案中的电流幅度变化，用点划线绘制图2的第二种已知解决方案中的电流幅度变化。
如图5所示，图5是将图1和图2的两种传统解决方案的短路电流随时间输送的能量与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的短路电流随时间输送的能量进行比较的曲线图，当与两种已知解决方案进行比较时，本发明的信号波形用于从产生短路电流时并在此后较长一段时间内(具体为0到100毫秒(ms)的范围内)输送更大量的能量，从而使尽快熔断保险丝或尽快使断路器跳闸的可能性最大。
在图5中，用实线绘制由本发明的短路电流输送的能量的变化，用虚线绘制由图1的已知传统解决方案中的短路电流输送的能量的变化，用点划线绘制由图2的第二种已知解决方案中的短路电流输送的能量的变化。
如图6所示，图6是将图1和图2的两种传统解决方案中的UPS的功率半导体(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT))随时间的温度变化与图3所示的本发明实施方案中产生的信号的示例的UPS的功率半导体(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT))随时间的温度变化进行比较的曲线图，本发明的信号波形用于控制电源装置的组件的温度升高，并将温度保持在极限温度以下。
在图6中，用实线绘制本发明的方法的UPS的功率半导体的温度随时间的变化，用虚线绘制图1的已知传统解决方案的方法的UPS的功率半导体的温度随时间的变化，用点划线绘制图2的第二种已知解决方案的方法的UPS的功率半导体的温度随时间的变化。
图7是在本发明的实施方案中产生短路电流的方法的流程图，图8是本发明的实施方案中的电源装置的示意图。
电源装置是不间断电源装置1(以下写为UPS)，其包括：第一连接端子2、第二连接端子4以及保护控制单元7，所述第一连接端子2联接到负载3；所述第二连接端子4联接到供电网络5；所述保护控制单元7配置为在负载3的供电电路中检测到电气故障的情况下产生短路电流，所述短路电流用于熔断连接在UPS1和负载3之间的保险丝6。为了能够工作，UPS1还包括各种电气组件8，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
在产生短路电流的方法的初始步骤中，UPS1的电路的一部分出现电气故障。
在该方法的第一步骤100中，检测电气故障。
在第二步骤110中，保护控制单元7与UPS的存储器9通信，以便使用存储在存储器9中的图表来确定短路电流的波形，该短路电流将被输送到联接至UPS1的输出端的保险丝6(保险丝6在UPS1和负载3之间)。存储器9可以是微处理器的存储部分，该微处理器可以包括保护控制单元7。
在UPS1的设计过程中，绘制图表并将图表存储在存储器9中。该图表是基于UPS1的每个电气组件8的极限电流和热惯性特性而确定的。
在第三步骤120中，保护控制单元7使短路电流在连接有保险丝6的UPS1的输出端处产生，短路电流的波形对应于图3的波形。
在第四步骤130中，验证保险丝6是否已经熔断，即负载是否与电气故障隔离。
只要保险丝6没有熔断，将随时间继续产生图3所示的波形的短路电流。
一旦保险丝6已经熔断，该方法终止，这是因为电气故障已经被隔离，即UPS1与负载3隔离。
本发明旨在最大化逆变器或UPS的短路电流，同时根据组件的热惯性管理短路电流随时间的幅度。

Claims (10)

1.一种通过具有电气组件(8)的电源装置(1)产生短路电流的方法，所述方法用于使连接在负载(3)和所述电源装置(1)之间的保护元件(6)跳闸，
所述方法的特征在于，响应于在电源装置(1)中检测到电气故障的情况，产生交流短路电流信号(120)，该交流短路电流信号为：
-对于所述交流短路电流信号的第一周期，电流幅度等于所述电源装置(1)的电气组件(8)能够承受的最大电流幅度；并且
-对于随后的周期，电流幅度根据所述电气组件(8)的热惯性而减小。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，交流短路电流信号的随后的周期呈现伪方波波形，所述伪方波波形的上升沿和下降沿以及两个沿之间的极值呈现出根据所述电气组件(8)的热惯性而减小的波形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其包括在产生短路电流之前访问(110)存储器(9)，所述存储器(9)包括为了使保护元件(6)跳闸而生成的短路电流的图表。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述图表是通过确定电源装置(1)的每个电气组件(8)能够承受的最大电流值以及通过确定每个所述电气组件(8)的热惯性而预先绘制的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保护元件包括保险丝(6)，并且使所述保护元件跳闸包括断开所述保险丝(6)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交流短路电流信号的第一周期呈现方波波形。
7.一种电源装置(1)，其包括：用于连接到负载(3)的端子(2)、用于连接到供电网络(5)的端子(4)、电气组件(8)和保护控制单元(7)，所述保护控制单元(7)配置为产生短路电流以使连接在所述负载(3)和所述电源装置(1)之间的保护元件(6)跳闸，
所述装置的特征在于，所述保护控制单元(7)配置为通过输送交流短路电流信号来响应在电源装置(1)中检测到的电气故障情况，所述交流短路电流信号为：
-对于所述交流短路电流信号的第一周期，电流幅度等于所述电源装置(1)的电气组件(8)能够承受的最大电流幅度；并且
-对于随后的周期，电流幅度根据所述电气组件(8)的热惯性而减小。
8.根据权利要求7所述的电源装置(1)，进一步包括存储器(9)，其存储为了使保护元件(6)跳闸而生成的短路电流的图表。
9.根据权利要求8所述的电源装置(1)，其中，所述图表是通过确定所述电源装置(1)的每个电气组件(8)能够承受的最大电流值以及通过确定每个所述电气组件(8)的热惯性而预先绘制的。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的电源装置(1)，其中，所述保护元件包括保险丝(6)。
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