CN1943092A - 转换开关装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开电压源转换切换用的装置和方法，它减少或消除在转换事件过程中直流磁通增大造成的变压器饱和。第一和第二电压源(主电压源和替代电压源)可通过相应的开关连接一个负载。变压器连接在该开关的下游。控制器按照不同的转换方法操作该开关，其中转换时间是为把下游饱和电流减到最小而确定的。

Description

转换开关装置和方法
背景
本发明一般地涉及电压转换开关，更具体地说，涉及在该转换开关下游具有变压器的开关系统用的AC电压源转换方法。
电压转换开关一般用来万一主电源失效或不稳定性时在主电源和一个或多个替代电源之间进行切换。这样的转换开关一般用于要求连续供电的用途，诸如工业和商业的环境中的医院和关键性过程。例如，在具有主电压源和一个替代电压源的电力系统中，第一和第二开关分别与主电压源和替代电压源相连。这些开关由控制器激活，使得在主电源失效时，打开该第一开关，从负载除去该主电压源，而随后使第二开关闭合，把该负载连接到替代电源，从而为该负载保持供电。
一般说来，第二开关在负载从该主电源断开之后就尽早接通第二开关，以图把该负载侧的电压扰动减到最小。但是，在该开关下游接有变压器的系统中，这可能引起问题，最初两个电源不同步时，由于在切换事件过程中直流磁通增强会使该变压器饱和。变压器饱和是非常不希望出现的，因为它们可能引起巨大的饱和电流流动，它本身又可能由于电源过载或上游保护断路器跳闸而引起系统失效。
本申请书解决这些与先有技术相联系的缺点。
内容
本公开涉及电压源转换切换的装置和方法，它会减少或消除由于在切换事件过程中直流磁通增大而造成的变压器饱和。第一和第二电压源(主电压源和替代电压源)可以通过相应的开关连接至负载。控制器按照不同的转换方法，操作这些开关把下游饱和电流减到最小。一个方法包括实时计算负载和替代电压的伏秒面积。在主电源失效之前和其过程中，控制器连续计算目标伏秒值，亦即负载电压曲线下面的面积，而且它计算替代电源电压曲线下面的补偿面积。当转换发生时，该控制器等待该目标伏秒面积大致等于或补偿它接通适当开关以便把替代电源连接到负载之前的伏秒面积。
在另一个转换方法中，在转换事件之前连续计算两个磁通量。第一磁通量对应于驱动变压器时负载电压所产生的磁通量，而第二个对应于若替代电源驱动该变压器时会产生的虚拟磁通量。主电源失效时，当该两个磁通量相等时，该控制器把该负载转换到替代电源。
附图的简短描述
参照附图阅读以下的详细说明，本发明的其它的目标和优点将变得显而易见，附图中：
图1是AC电压转换系统的方框示意图；
图2A和2B举例说明两组电压波形，表示平衡的电压状态；
图3是在这里公开的转换方法的流程图；
图4A和4B举例说明两个电压波形和相应的磁通量波形；
图5是这里公开的另一个转换方法的流程图；
尽管本发明可以进行不同的修改和替换形式，但是已经以举例方式在附图中表示并将在这里详细描述其具体的实施例。但是，应该明白，在这里对具体的实施例的描述不是想要把本发明限于所公开的特定的形式，相反其意图是覆盖落在正如后附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等效的和替代。
本发明的详细说明
下面描述本发明的示例性实施例。为清晰起见，在本申请书中，不描述实际实现中的所有特征。当然会意识到，在开发任何这样的实际的实施例时，必须进行许多实现所特有的决策，以便达到开发者的特定目标，诸如遵循与系统有关的和与业务有关的约束，它们都是因实现而异的。另外，会认识到，这样的开发努力可能是复杂的和费时的，但会是一个得益于本公开的本专业的普通技术人员的例行工作。
图1举例说明AC电压转换开关系统100。该转换开关系统100包括第一或主电压源110和第二或替代电压源111。该第一和第二电压源110、111通过变压器122连接到负载120。第一和第二开关130、131分别连接到该第一和第二电压源110、111，而控制器134激活开关130、131。适用作开关130、131的器件包括SCR、IGBT、三端可控硅器件等等。控制器134可以包括，例如，数字信号处理器(DSP)或任何适当的可编程逻辑器件。该控制器134接收该第一和第二电压源的电压电平V1和V2，和负载电压Vload作为输入。这里该负载电压Vload定义为加在该变压器初级上的该转换开关的输出电压。
在正常状态下，该第一开关130闭合，如图1所示，把该第一电源110(主电源)连接至负载120。如果第一电源110失效，而同时第二电源111(替代电源)可用，则控制器134检测该状态并关断第一开关130并随后连接该第二电压源，保持向负载120供电。
在已知的转换开关系统中，第二开关131一般在该负载120一从该第一电压源110断开之后便接通，以图把该负载120上的电压扰动减到最小。若该两个电源110、111最初不同步，则该变压器122将该在切换事件过程中会由于直流磁通增大而饱和。该变压器饱和是非常不希望出现的，因为它们可能引起巨大的饱和电流流动，它本身又可能由于电源过载或上游保护断路器跳闸而引起系统失效。
为了避免变压器饱和，确定从第一电源110转换至第二电源111的最佳时刻。在一个实施例中，该切换时间是通过计算该负载和替代电压的伏秒面积确定的。图2A和2B表示负载电压210和替代电压212的波形。当主电源110失效时，控制器134保持对伏秒数量，亦即，从最后一个过零点的时间起直到第一开关130截止为止该负载电压曲线210下面的面积(At)的跟踪，并计算该替代电源曲线212的补偿面积(Ac)。根据相应的电压的极性给每一个伏秒面积赋予极性，例如，给正电压下面的面积赋予正极性并给负电压下面的面积赋予负极性。当引发一个转换时，控制器134一直等待直到目标伏秒大致等于(如图2A所示)，或补偿(如图2B所示)第二开关131导通以前的伏秒面积为止。其结果是在转换过程中变压器122内直流磁通量很小或不增大。
图2A和2B举例说明从第一电压源转换为第二电压源的两种不同的平衡状态。在图2A中，At和Ac符号不同(AtAc＜0)。在图2B中，At和Ac符号相同(AtAc＞0)。正如上面指出的，At是该负载电压的目标伏秒面积，而Ac是该替代电压的补偿伏秒面积。图2B还包括Af，它代表该替代电压的整个半周的伏秒面积。该数量Ac涉及一个将来发生的事件(该转换发生之后)，因此不能准确计算。但是，假定该替代电压212与该转换前一周相比变化不大，在任何给定的时间t的数量Ac可以是从Ac(t)＝Af-Ar(t)近似，其中Af是以前整个半周的伏秒面积，而Ar是从过零点至时间t的伏秒运行积分。
因而，为了避免转换饱和，在图2A所示的情况下，控制器134操作开关110、111，使得At和Ac的绝对值相等(|At|＝|Ac|)。把数量S1定义为S1＝At+Ac，控制器134使第二开关111导通，使得当(AtAc＜0)时，S1＝0。
现参见图2B，控制器134操作开关110，111，使得数量At和Ac加在一起等于该替代电压一整个半周的伏秒面积(At+Ac＝Af)。定义数量S2为S2＝At+Ac-Af，控制器134使第二开关111导通，使得(AtAc＞0)时S2＝0。
图3是一个流程图，举例说明从第一电压源110转换为第二电压源111用的伏秒面积方法的具体实现。在方框310，以一个预定的采样速率，例如，15kH对负载电压Vload(k)和替代电压V2(k)进行采样。在方框312通过积分负载电压Vload：At(k+1)＝At(k)+Vload(k)算出目标伏秒面积At。在负载电压Vload的每个过零点，把目标伏秒面积At(K)清零，发生转换命令之后的除外。在方框314，通过积分替代电压V2：Ar(k+1)＝Ar(k)+Valt(k)，算出运行替代伏秒面积Ar(k)。该替代电压V2的每个过零点上也都把该运行伏秒面积Ar(k)清零，发生转换命令之后的除外。
在方框316，通过在每一个过零点上在Ar(k)清零之前锁存Ar(k)的值，算出最大半周伏秒面积。在方框318根据前半周的伏秒面积Af和该伏秒面积Ar的运行积分之间的差值：Ac(k)＝Af-Ar(k)算出该补偿伏秒面积Ac(k)。在方框320，算出S1和S2：S1(k)＝At(k)+Ac(k)和S2(k)＝At(k)+Ac(k)-Af。在方框322，当S1(k)＝0(AtAc＜0)或S2(k)＝0(AtAc＞0)时，控制器134完成该转换。
在另一个实施例中，在转换事件之前连续地计算两个磁通量。第一磁通量对应于该负载电压Vload驱动变压器122时产生的磁通量，第二磁通量对应于若第二电压源111驱动变压器122时会产生的假想磁通量。可以看出，当这两个磁通量相等时，达到最佳转换点。
图4表示两组负载电压Vload和替代电压V2用的两组波形。顶部波形是负载电压210和替代电压212的电压曲线，而底部波形相应于负载电压220和替代电压222的磁通量曲线。当虚线230表示的磁通量相等时，该控制器134完成该转换。
忽略该变压器122的漏抗的作用，第一电压源110和第二电压源111施加在变压器122上造成的磁通量增大满足以下微分方程式：
Figure A20058000421800111
Figure A20058000421800121
其中V1(t)和V2(t)是第一和第二电源电压，而1(t)和2(t)是与每一个电压对应的磁通量。
磁通量1(t)，2(t)可以通过在任何给定时间求解上述微分方程式计算：
1(t)＝∫V1(t)dt
2(t)＝∫V2(t)dt
在该一般化磁通量方法中，当上面定义的两个磁通量在数值上相等1(t)＝2(t)时，达到最佳转换。
图5是一个流程图，举例说明从该第一电压源110转换到该第二电压源111用的一般化磁通量方法的具体实现。在方框350中，以一个预定的采样速率，例如，15kHz对输出电压Vload(k)和替代电压Valt(k)进行采样。在方框352和354中，该负载和替代磁通量1，2分别通过积分该负载和替代电压确定：load(k+1)＝load(k)+Vload(k)；alt(k+1)＝alt(k)+Valt(k)。
在利用任何已知的技术进行转换之前，从两个磁通量除去DC分量。在方框356，当磁通量相等load(k)＝alt(k)时，完成转换。
不用平衡伏秒面积或使磁通量刚好相等，正如上面讨论的，而是在该平衡状态中可以使用某个允差，来提供切换时间和变压器饱和电流的某些数量之间权衡。把该允差表示为zcth，上面的平衡状态可以改写如下：
伏秒面积法，其中AtAc＜0：|S1|＝|At+Ac|≤zcth；和其中At-Ac＞0：|S2|＝|At+Ac-Af|≤zcth。
对于该一般化磁通量方法：|1-2|≤zcth。
上述方法使用连续地联机计算的伏-秒面积和磁通量信息。在这些方法中，转换到替代电源的最佳转换时间在确保最小化或排除该变压器饱和的状态实时地出现之前是未知的。已知的方法根据离线的电压波形分析确定最佳转换时间。这样的方法，例如，可以包括根据最后已知的该两个电源之间的实测的相位角差值确定最佳转换时间延迟时间。在这种情况下，最佳交换延迟时间和电源相位差之间的关系是首先通过对在切换事件过程中的电压波形强加某些假定而离线推演出来的。显然，当转换过程实际的电压波形偏离该假定形状时，这种方法限制该方法的有效性。另一方面，这里公开的方法就没有这个缺点，因为该伏-秒面积和磁通量是根据在转换事件过程中实际的实时电压波形连续地联机计算的。
上面公开的特定的实施例只是示例性的，因为对于得益于这里的传授的本专业的技术人员，本发明显然可以以不同但等效的方式进行修改和实施。另外，除正如在下面权利要求书所描述的以外，不想限于结构的细节或在这里表示的设计。因此，上面所公开的特定的实施例可以改变或修改，而且所有这样的变动都应认为是落在本发明的范围和精神之内。同样显而易见的是，上面所公开的示例性实施例不难应用于需要从一个A/C电源转换到另一个电源的其它类似的或已知的电力系统上，诸如标准UPS(不间断电源)系统，其中第一电源是A/C电压逆变器，而第二电源是公用电源或A/C发电机。因而，所有这样类似的应用都应该认为是落在本发明的范围和精神内。相应地，这里寻求的保护是正如下面权利要求书中提出的。

Claims (28)

1.在第一和第二电压源之间转换的方法，包括：
从负载断开第一电压源；
实时地计算该第一和第二电压源的电压波形下面的伏-秒面积；
根据实时计算的伏-秒面积确定把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该负载连接到该第二电压源。
2.权利要求1的方法，其特征在于，其中该伏-秒面积的实时计算包括根据相应的电压的极性给每一个伏-秒面积赋予极性。
3.权利要求2的方法，其特征在于，其中在该确定的转换时间把该第二电压源连接到该负载包括响应该第一和第二电压源该波形下面的面积的绝对值大致相等，而且它们的极性相反，把该第二电压源连接到该负载。
4.权利要求2的方法，其特征在于，其中在该确定转换时间把该第二电压源连接至该负载包括响应该第一和第二电压源波形下面的面积的绝对值的和大致等于该第二电压一个完整半周波形下面的面积的绝对值，而且它们的极性相同，把该第二电压源连接至该负载。
5.权利要求1的方法，其特征在于，其中从该负载断开该第一电压源包括去激活第一开关。
6.权利要求1的方法，其特征在于，其中在该预定的转换时间把该第二电压源连接至该负载包括激活第二开关。
7.在第一和第二电压源之间转换的方法，包括：
从负载断开该第一电压源；
实时地确定与该第一和第二电压对应的磁通量；
根据该实时磁通量确定，确定把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该负载。
8.权利要求7的方法，其特征在于，其中磁通量的该实时确定包括测量该磁通量。
9.权利要求7的方法，其特征在于，其中该磁通量的实时确定包括计算该电压的时间积分。
10.权利要求9的方法，其特征在于，其中在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该负载包括响应该第一和第二电压的时间积分大致相等，把该第二电压源连接至该负载。
11.权利要求7的方法，其特征在于，其中从该负载断开该第一电压源包括去激活第一开关。
12.权利要求7的方法，其特征在于，其中在该预定的转换时间把该第二电压源连接至该负载包括激活第二开关。
13.一种转换开关系统，包括：
第一开关，可连接至第一电压源；
第二开关，可连接至第二电压源；
控制器，连接该第一和第二开关，以激活和去激活该第一和第二开关，以便选择性地通过变压器把该第一或该第二开关连接至负载；
该控制器具有输入端，用以接收代表该第一和第二电压源的电压电平和加在该负载变压器上的电压的信号，其中在预定的条件下，该控制器：
去激活该第一开关，以便从该负载断开该第一电压源，
实时地计算该第一和第二电压源的电压波形下面的伏-秒面积；
根据该实时计算的伏-秒面积确定把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该负载。
14.权利要求13的转换开关系统，其特征在于，其中该伏-秒面积的实时计算包括根据该相应的电压的极性向每一个伏-秒面积赋予极性。
15.权利要求14的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压源的波形下面的面积的绝对值大致相等，而且它们的极性相反，激活该第二开关。
16.该权利要求14的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压源的波形下面的面积的绝对值的和大致等于该第二电压整个半周的波形下面的面积的绝对值，而且它们的极性相同，激活该第二开关。
17.一种转换开关系统，包括：
第一开关，可连接至第一电压源；
第二开关，可连接至第二电压源；
控制器，连接到该第一和第二开关，以激活和去激活该第一和第二开关，以便选择性地通过变压器把该第一或该第二开关连接至负载；
该控制器具有输入端，用以接收代表该第一和第二电压源的电压电平和加在该负载变压器上的电压的信号，其中在预定的条件下，该控制器：
去激活该第一开关，以便从该负载断开该第一电压源，
实时地确定与该第一和第二电压对应的磁通量；
根据该实时磁通量计算确定一个把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该负载。
18.权利要求17的转换开关系统，其特征在于，其中磁通量的实时确定包括测量该磁通量。
19.权利要求17的转换开关系统，其特征在于，其中该磁通量的实时确定包括计算该电压的时间积分。
20.权利要求19的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压的时间积分大致相等激活该第二开关。
21.一种不间断的电源系统，包括：
第一电压源；
第二电压源；
第一开关，连接到该第一电压源；
第二开关，连接到该第二电压源；
变压器，具有连接到该第一和第二开关的输入端，以便选择性地把该变压器连接至该第一或第二电压源，该变压器具有可连接至负载的输出端子；和
控制器，连接到该第一和第二开关，以激活和去激活该第一和第二开关，以便选择性地把该第一或该第二开关连接至该变压器；
该控制器接收代表该第一和第二电压源的电压电平和加在该变压器输入端电压的信号，其中在预定的条件下，该控制器：
去激活该第一开关，以便从该变压器断开该第一电压源；
实时地计算该第一和第二电压源的电压波形下面的伏-秒面积；
根据该伏-秒面积的实时计算确定把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该变压器。
22.权利要求21的转换开关系统，其特征在于，其中该伏-秒面积的实时计算包括根据该相应的电压的极性向每一个伏-秒面积赋予极性。
23.权利要求22的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压源的波形下面的面积的绝对值大致相等，而且它们的极性相反，激活该第二开关。
24.权利要求22的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压源的波形下面的面积的绝对值的和大致等于该第二电压整个半周的该波形下面的面积的绝对值，而且它们的极性相同，激活该第二开关。
25.一种不间断的电源系统，包括：
第一电压源；
第二电压源；
第一开关，连接到该第一电压源；
第二开关，连接到该第二电压源；
变压器，具有连接到该第一和第二开关的输入端，以便选择性地把该变压器连接至该第一或第二电压源，该变压器具有可连接至负载的输出端子；和
控制器，连接到该第一和第二开关，以激活和去激活该第一和第二开关，以便选择性地把该第一或该第二开关连接至该变压器；
该控制器接收代表该第一和第二电压源的电压电平和加在该变压器输入端的电压的信号，其中在预定的条件下，该控制器：
去激活该第一开关，以便从该变压器断开该第一电压源；
实时地确定与该第一和第二电压对应的磁通量；
根据磁通量的实时确定，确定把下游饱和电流减到最小的转换时间；和
在该确定的转换时间把该第二电压源连接至该变压器。
26.权利要求25的转换开关系统，其特征在于，其中磁通量的实时确定包括测量该磁通量。
27.权利要求26的转换开关系统，其特征在于，其中该磁通量的实时确定包括计算该电压的时间积分。
28.权利要求27的转换开关系统，其特征在于，其中该控制器响应该第一和第二电压的时间积分大致相等，激活该第二开关。
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