CN1278962A - 对交流电用户进行电流限制的电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

对交流电流用户电流限制的电路装置和方法,其中为了测量将用户的交流电整流和当超过界限值时被限制。

Description

对交流电用户进行电流 限制的电路装置和方法
在反向换流器的输出端连接着很多用户，例如部件，部件单元，调制解调器，个人计算机，打印机和图象屏幕等。这些用户大多是对于低欧姆网络的运行设计的，其后果是，产生大的接通瞬时电流。用户的接通瞬时电流常常是其额定电流的几倍。这么高的接通瞬时电流的后果是在反向换流器输出端造成电压降。而电压降又会引起连接在反向换流器上的用户的运行干扰。为了避免大电流通过连接在反向换流器上的用户，常常在反向换流器的输出端安装由扼流圈构成的电流限制器。
本发明的任务是给出交流电用户电流限制的电路装置和方法。
此任务是由权利要求1和9的特征解决的。
本发明带来的优点除了避免反向换流器昂贵的过大的尺寸以外，带来的其它优点是，将流过用户的大电流限制在允许的电流值以下和另一方面使连接在反向换流器上的用户不受干扰。
本发明其它有利的结构叙述在从属权利要求中。
本发明的其它特点将从以下对实施例的详细叙述中获悉。
附图表示：
附图1 交流电电流限制电路的原理图，
附图2 电流限制电路，
附图3 电流限制电路的电流曲线和电压曲线，
附图4 其它的电路结构，
附图5 按照附图4电路实施例的其它结构，
附图6 形成节拍的接通瞬时电流限制的电路结构和
附图7 形成节拍的接通瞬时电流限制电路的电路／电压特性曲线。
附图1是电流限制电路S的原理图。用于限制电流，尤其是限制接通电流的电路装置有整流器单元G和电流限制单元SB。整流器单元G与第一个输入端E1和第二个输入端E2结合到例如与用户LAS和由反向换流器WR产生的交流电压UW构成的交流电回路中。反向换流器WR的输入端与直流电压电源UE相连。电流限制单元SB与整流器单元G的第一个和第二个输出端A1，A2相连。如果瞬时电流上升超过最大值时，电流限制单元SB限制各个瞬时电流。为了清晰起见在反向换流器WR的输出端只连接了一个另外的用户KV。通过反向换流器的电流iWR分成为通过用户LAS的电流iLAS和通过其它用户的电流iKV。
附图2是将整流器单元G与用户LAS串联在反向换流器WR上。在整流器单元G的输出端A1，A2上连接了电流限制单元SB。反向换流器WR的输入端是由直流电源UE供电。在反向换流器WR的输出端根据反向换流器的尺寸可以存取不同大小的交流电压UW。在反向换流器WR的输出端只还连接了一个其它用户KV。电流限制单元SB，特别是用于限制接通瞬时电流的电路装置，在这个附图中是由测量电阻Rm、电流调节器IR和第一个开关元件T1构成的。整流器单元G有一个整流器电路，这是由四个二极管G1、G2、G3和G4构成的。整流器单元G的输出端A1、A2与由测量电阻Rm和第一个开关元件T1构成的串联电路相连。第一个开关元件T1的控制输入端GT与电流调节器IR相连。电流调节器IR的第一个输入端与参考电压UREF和电流调节器IR的第二个输入端与在其上有一个电势URm的测量电阻Rm相连。测量通过测量电阻Rm的电流I，并且电流调节器IR对应于被测量的电流i通过控制输入端GT控制第一个开关元件T1的调节路径SD。第一个开关元件T1此时最好构成为线性的执行环节。电流限制单元SB经过开关S与用户LAS相连，这个开关例如是由一个没有表示的开关装置控制的。所有在附图2上给出的电流iLAS、iWR、iKV都是瞬时电流。缩写表示：iLAS：通过用户LAS的电流，iWR：通过反向换流器WR的电流，iKV：通过一个其它准备保护的用户KV的电流。
附图3表示了通过用户LAS的电流曲线iLAS。在第一个三个半周期的电流峰值iLAS超过了对于反向换流器WR确定的允许的最大输出电流iMAX。电流iLAS在超过最大允许的数值iMAX时无延迟地受到限制。如果在测量电阻Rm上测得超过最大允许负载电流iMAX时，如在附图3上所示，电流调节器IR经过其控制输入端GT相应地控制第一个开关元件T1，则通过开关元件T1的通过电流减小。作为第一个开关元件T1最好使用大功率MOS-晶体管。倘若测量电阻Rm的电压降URm小于参考电压UREF期间，将第一个开关元件T1接通成优先导电的，也就是说低欧姆的。电流iLAS的电流值短时间超过允许的电流值iMAX时，则第一个开关元件T1立即被电流调节器IR调节。限制到允许的电流iMAX一直保持到负载电流iLAS降低到电流界限iMAX以下时。然后将第一个开关元件T1重新调节到最大导电。如果在电流限制过程中第一个开关元件T1或许必须承受很大的能量损失时，这在设计第一个开关元件T1时应该予以考虑。
附图4表示了附图2上已知的电路装置的电路结构。开关装置SB的重要元件是辅助变压器TH、辅助整流器GH、第一个开关元件T1和第二个开关元件T2。辅助变压器TH、辅助整流器GH和滤波电容器KH是安装在辅助电压单元UHIL中。辅助变压器TH的初级侧与在这里没有表示的在其上有交流电压UW的反向换流器WR的输出端并联，与辅助变压器TH次级侧相连的是辅助整流器GH。与辅助整流器GH并联的是滤波电容器KH。辅助整流器GH的第一个输出端经过测量电阻Rm与第一个开关元件T1的调节路径SD的输入端S相连。辅助整流器GH的第二个输出端经过前置电阻RV与第一个调节元件T1的控制输入端GT相连。第二个开关元件T2调节路径EC的输出端C与第一个开关元件T1的控制输入端GT相连，和第二个开关元件T2的控制输入端B与第一个开关元件T1调节路径SD的输入端S相连。第二个开关元件T2调节路径EC的输入端E与辅助整流器GH与测量电阻Rm相连的第一个输出端相连。第一个开关元件T1经过辅助变压器TH、辅助整流器GH和前置电阻RV得到必要的导通电势，并且被接通为低欧姆。如果在接通时或者以后在稳定的运行中，出现通过用户LAS的电流提高时，则经过电流测量电阻Rm将第二个开关元件T2控制为导电的，并且第一个开关元件T1相应的变成高欧姆的，并且将负载电流iLAS限制在最大电流值iMAX。如果动态过程结束，第一个开关元件T1重新变成为低欧姆的。
附图5表示了电流限制单元SB的另外的电路结构。在这个电流限制单元SB中按照附图4电路结构的第二个开关元件T2被第一个运算放大器OP1代替。如果通过用户LAS的负载电流iLAS保持长时间高位，用第二个运算放大器OP2和用电阻RT1、RT2和二极管D的线路使电流限制单元SB保持工作状态。第一个开关元件T1然后将可以导致第一个开关元件T1损坏的最大热负荷中断。为了避免这个，可以用与温度有关的热敏电阻RT1监控第一个开关元件T1的温度。当超过预先规定的但是还允许的温度值时，与温度有关的电阻RT1变成为高欧姆的，并且控制第二个运算放大器OP2。经过二极管D将第一个开关元件T1从工作区控制为饱和区。从而将第一个开关元件T1控制成最大导电的，并且将损失功率降低到允许数值。通过与温度有关的电阻RT1给出的热时间常数在转换的时间点上不会出现不稳定。热保护电路也可以这样实现，当温度太高时将第一个开关元件T1断开，也就是说中断到用户LAS的通过电流。在这种结构时，将第二个运算放大器OP2的输入端掉换和将二极管的极性掉换。在这种局部结构上的，在第二个运算放大器OP2输出端上的电势当超过临界温度时可以减小到，将第一个开关元件T1关闭。使用什么样的变型取决于在系统-总功能上的优先权。
附图6表示了产生节拍的电流限制单元SB。这个电流限制单元SB是由使负载电流iLAS保持恒定的第一个模块SBT和断开以后继续传送负载电流的第二个模块SBF构成的。模块SBT是这样构造的，第一个开关元件T1的调节输入端GT与上述电路结构相反是用脉冲宽度调制信号控制的。脉冲宽度调制信号是在脉冲宽度调制器PWM中形成的。通过由电流调节单元IR在测量电阻Rm上的电势基础上的信号，使例如节拍为20kHz的脉冲宽度发生变化。电流调节器IR例如可以是UCC3802组件。电流调节器IR用于在超负荷时使电流保持恒定。
在电流限制单元SB的输出端安排了第二个模块SBF。这第二个模块SBF是由第三个和第四个开关元件T3、T4和比较器K构成的晶体管分支电路构成的。第一个分支电路路段是由第三个开关元件T3与第一个自振荡二极管D1和第二个分支电路路段是由第四个开关元件T4与第二个自振荡二极管D2构成的，在第二个模块SBF的输出端安排了比较器K用于控制第三个和第四个开关元件T3／T4。在允许的电流界限以下时第一个开关元件T1始终控制为接通的。安排在主电流回路上的扼流圈L有一个相对小的电感，这样扼流圈对于50Hz的负载电流实际上代表短路。如果出现超过允许的电流界限iMAX时，则在第一个模块SBF中的电流调节器IR通过相应地控制脉冲宽度调制器PWM缩短第一个开关元件T1的接通时间。如果断开第一个开关元件T1，则第一个或第二个自振荡二极管D1或D2根据电压方向和电流方向继续传送扼流圈L中的动作电流。
比较器K分析输出电压UA的极性，并且控制或者第三个或者第四个开关元件T3、T4。如果第三个开关元件T3例如是一个N-沟道晶体管则输出电压UA为正极，可以使通过电流通过第一个自振荡二极管D1。在欧姆负载或负载为非线性电流但是与电压同相时，在使用第一个开关元件T1的节拍时第一个二极管D1则作为自振荡二极管工作。第三个开关元件T3的意义在于在二极管D2为负极时如果这是一个P-沟道晶体管，则释放输出电压UA。如果通过电流限制装置SB的电流保持低于一个限制值时，而第三个和第四个开关元件T3、T4虽然被控制为相反节拍并且各自对于半个周期是导电的，相应的二极管只在受阻方向承受负荷。除了第一个模块SBT的辅助电势UH1以外对于第二个模块SBF需要另外的电流的与反向换流器WR交流电压UW分开的辅助电势+／-UH2。第三个和第四个开关元件T3、T4例如可以是晶体管、IGBT或双极晶体管。第三个和第四个开关元件T3、T4必须只是慢速的用网络频率(50／60 Hz)接通的。在第一个和第二个自振荡二极管D1、D2上除了关闭能力以外还有的优点是，对应于第一个开关元件T1的节拍频率和开关速度的短的关闭延迟时间。
需要时可以用相对小的电容器CA，如在附图6在电流限制单元SB的输出端注明的，非常显著的减小高频部件。当主要是电容负荷时电流限制单元SB不需要用电容器CA形成闭路。为了补偿从反向换流器WR输出端到电流限制单元SB输入端之间的电缆长度，在反向换流器WR的输出端安排电容器CE。作为电流限制单元除了对于非周期性过程如接通、消磁等作用以外，按照附图6的电路装置适用于当周期性出现电流峰值时用于无损耗的电流限制。用附图6表示的电路装置可以非常显著地减小反向换流器的尺寸。
附图7表示了产生节拍电流限制单元SB的电流／电压特性曲线。如在传统的开关调节器上，在第一个开关元件T1上，在自振荡二极管D1，D2上和在扼流圈L上，出现一个截断的网络电压。通过用户LAS的电流iLAS有与设计对应的三角重叠。附图7表示的经过一个周期的电流曲线在很多网络仪器上典型地作为持续电流。其中峰值系数常常是3至4。峰值系数是指在相同有效值时实际峰值与理想的正弦峰值之比。

Claims (9)

1．对于至少一个与反向换流器(WR)连接的用户(LAS，KV)的电流限制，特别是限制接通瞬时电流的电路装置，
其特征为，
串联在用户(LAS)上的整流器(G)用于将流过其输入端接头(E1，E2)的交流电流(iLAS)整流和
电流限制单元(SB)与整流电路(G)的输出端接头(A1，A2)相连。
2．按照权利要求1的电路装置，
其特征为，
电流限制单元(SB)是由测量电阻(Rm)和第一个开关元件(T1)调节路径(SD)的串联电路构成的，
电流调节器(IR)的第一个输入端与第一个开关元件(T1)调节路径(SD)的输入端(S)相连，和电流调节器(IR)的第二个输入端经过参考电压源(UREF)和测量电阻(Rm)与第一个开关元件(T1)的输入端(S)相连和
电流调节器(IR)的输出端与第一个开关元件(T1)的控制输入端(GT)相连。
 3．按照权利要求2的电路装置，
其特征为，
电流调节器(IR)是由第二个开关元件(T2)构成的，其中在第二个开关元件(T2)调节路径(EC)的输入端(E)和第二个开关元件(T2)的控制输入端(B)之间安排了测量电阻(Rm)，并且第二个开关元件(T2)调节路径(EC)的输出端(C)与第一个开关元件(T1)的控制输入端(GT)相连，
经过前置电阻(RV)，第一个开关元件(T1)的控制输入端(GT)与辅助电压源(UHIL)的第一个输出端相连和
辅助电压源(UHIL)的第二个输出端与测量电阻(Rm)相连。
4．按照权利要求2的电路装置，
其特征为，
电流调节器(IR)包括有第一个运算放大器(OP1)，其中运算放大器(OP1)的第一个输入端与参考电压源(URef)相连，并且运算放大器(OP1)的第二个输入端与第一个开关元件(T1)的调节路径(SD)的输入端(S)相连。
5．按照权利要求4的电路装置，
第二个运算放大器(OP2)的第一个输入端与第一个运算放大器(OP1)的第一个输入端相连，
第二个运算放大器(OP2)的第二个输入端与一个与辅助电压源(UHIL)相连的由第一个和第二个电阻(RT1，RT2)构成的电压分配器相连，
第二个运算放大器(OP2)的输出端经过二极管(D)与第一个开关元件(T1)的控制输入端(GT)相连。
6．按照权利要求5的电路装置，
其特征为，
第一个电阻(RT1)是一个温度传感器，其和第一个开关元件(T1)是处于温度作用连接。
7．按照权利要求2的电路装置，
其特征为，
电流调节器(IR)的输出端与脉冲宽度调制器(PWM)的控制输入端相连，
脉冲宽度调制器(PWM)的输出端与第一个开关元件(T1)的控制输入端(GT)相连。
8．按照权利要求7的电路装置，
其特征为，
与用户(LAS)并联一个比较器(K)，比较器(K)的输出端与第三个和第四个开关元件(T3，T4)的控制输入端(G)相连，
第三个开关元件(T3)的调节路径(SD)的输出端(D)与第一个自振荡二极管(D1)的阴极相连，
第四个开关元件(T4)的调节路径(SD)的输出端(D)与第二个自振荡二极管(D2)的阳极相连，
第一个自振荡二极管(D1)的阳极和第二个自振荡二极管(D2)的阴极与和用户(LAS)串联的扼流圈(L)的第一个接头相连，和
第三个和第四个开关元件(T3，T4)的调节路径(SD)的输入端(S)经过用户(LAS)与扼流圈(L)的第二个接头相连。
9．对于至少一个与交流电压源(WR)连接的用户(LAS)限制电流，特别是限制接通瞬时电流的方法，
其特征为，
将从交流电压源(WR)输出的交流电(iLAS)整流，
将被整流的交流电(iLAS)送入电流限制装置(SB)的输入端，和
电流限制单元(SB)将通过用户(LAS)流过的交流电(iLAS)当超过允许的电流值(iMAX)时，限制为预先规定的电流值。
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