EA009562B1

EA009562B1 - Способ и система для переключения нагрузки между источниками напряжения переменного тока

Info

Publication number: EA009562B1
Application number: EA200501469A
Authority: EA
Inventors: Лупу Виттнер
Original assignee: Тарджет-Хай-Тек Электроникс Лтд.
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-14
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20040183378A1; KR20060006010A; EA200501469A1; WO2004084389A3; US7064458B2; CA2518122A1; EP1611657A2; EP1611657A4; WO2004084389A2; JP2006521079A

Abstract

Предложены способ и система для переключения нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой источник напряжения переменного тока. Временный источник напряжения подсоединяют к нагрузке и первому источнику напряжения через резистор. Подсоединяют второй источник напряжения к нагрузке. После этого временный источник напряжения отсоединяют от нагрузки. Временный источник напряжения может быть независимым от первого и второго источников напряжения или может получать напряжение от первого или второго источника напряжения, а подсоединение или отсоединение осуществляют посредством механических переключателей, посредством тиристоров, либо посредством параллельно или последовательно соединенных механических переключателей и тиристоров.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и системе для переключения электрической нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой без прерывания подачи напряжения во время переключения.

Существует несколько обстоятельств, при которых нагрузку следует переключать с одного источника напряжения переменного тока на другой, например переключение нагрузки с сети электропитания на генератор в случае ожидаемого отключения напряжения. Еще одним примером является балансировка фаз, при которой нагрузку переключают с одной фазы на другую.

Все известные способы переключения нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой вызывают прерывание подачи напряжения, по крайней мере, на короткий промежуток времени. Длительность этого промежутка времени зависит от быстродействия используемой переключающей схемы. В сильноточных приложениях переключающие схемы являются механическими устройствами, которые способны выдерживать большие токи и очень большие токи короткого замыкания.

Многие системы прекращают работу или сбрасываются в исходное состояние, когда происходит прерывание или значительное нарушение подачи напряжения.

Таким образом, общепризнана потребность (удовлетворение которой представляется весьма выгодным) в способе переключения электрической нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой без прерывания подачи напряжения, при минимальном искажении напряжения и тока, а также без прерывания функционирования нагрузки.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ переключения электрической нагрузки с исходного источника напряжения на заключительный источник напряжения (при этом нагрузка сначала подсоединена к исходному источнику напряжения), включающий в себя этапы, на которых: (а) подсоединяют временный источник напряжения к нагрузке; (б) отсоединяют исходный источник напряжения от нагрузки и (в) подсоединяют заключительный источник напряжения к нагрузке.

В соответствии с настоящим изобретением, предложена система для попеременного подсоединения первого источника напряжения и второго источника напряжения к нагрузке, включающая в себя: (а) первый переключающий механизм для подсоединения первого источника напряжения к нагрузке и отсоединения первого источника напряжения от нагрузки; (б) второй переключающий механизм для подсоединения второго источника напряжения к нагрузке и отсоединения второго источника напряжения от нагрузки, при этом первый и второй переключающие механизмы совместно используют общую точку подсоединения к нагрузке и (в) третий переключающий механизм для подсоединения временного источника напряжения к нагрузке во второй точке подсоединения между общей точкой подсоединения и нагрузкой.

Базовый способ согласно настоящему изобретению состоит в том, что переключают нагрузку с исходного источника напряжения на заключительный источник напряжения, подсоединяя временный источник напряжения к нагрузке, отсоединяя исходный источник напряжения от нагрузки, подсоединяя заключительный источник напряжения к нагрузке и, в заключение, отсоединяя временный источник напряжения от нагрузки. Вышеупомянутая временная последовательность является предпочтительной. В частности, предпочтительно подсоединять временный источник напряжения перед отсоединением исходного источника напряжения от нагрузки.

В предпочтительном варианте временный источник напряжения является независимым от исходного и заключительного источников напряжения. В альтернативном варианте осуществления временный источник напряжения получает напряжение либо от исходного источника напряжения, либо от заключительного источника напряжения.

В предпочтительном варианте, когда временный источник напряжения подсоединяют к нагрузке, этот временный источник напряжения также подсоединяют к исходному источнику напряжения, а когда исходный источник напряжения отсоединяют от нагрузки, этот исходный источник напряжения также отсоединяют от временного источника напряжения. В предпочтительном варианте, когда заключительный источник напряжения подсоединяют к нагрузке, этот заключительный источник напряжения также подсоединяют к временному источнику напряжения, а когда временный источник напряжения отсоединяют от нагрузки, этот временный источник напряжения также отсоединяют от заключительного источника напряжения.

В предпочтительном варианте подсоединение и отсоединение осуществляют с помощью соответствующих механизмов переключения исходного, заключительного и временного источников напряжения. В одном предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя механический переключатель. Во втором предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя тиристор. В третьем предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя и механический переключатель и тиристор. Эти механический переключатель и тиристор могут быть соединены параллельно или последовательно.

Базовая система согласно настоящему изобретению включает в себя три переключающих механизма: первый переключающий механизм для подсоединения первого источника напряжения к нагрузке и

- 1 009562 отсоединения первого источника напряжения от нагрузки; второй переключающий механизм для подсоединения второго источника напряжения к нагрузке и отсоединения второго источника напряжения от нагрузки, совместно с первым переключающим механизмом использующий общую точку подсоединения к нагрузке; и третий переключающий механизм для подсоединения временного источника напряжения к нагрузке и отсоединения временного источника напряжения от нагрузки, имеющий точку подсоединения к нагрузке, расположенную между нагрузкой и общей точкой подсоединения первых двух переключающих механизмов.

В предпочтительном варианте система согласно настоящему изобретению также включает в себя временный источник напряжения. В предпочтительном варианте временный источник напряжения является независимым от первого и второго источников напряжения. В альтернативном варианте временный источник напряжения получает свое напряжение либо от исходного источника напряжения, либо от заключительного источника напряжения.

В предпочтительном варианте система согласно настоящему изобретению также включает в себя резистор между третьим переключающим механизмом и точкой подсоединения третьего переключающего механизма, так что когда временный источник напряжения подсоединен к нагрузке, это подсоединение осуществляется через упомянутый резистор. В наиболее предпочтительном варианте сопротивление резистора составляет не более одной десятой сопротивления нагрузки.

В одном предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя механический переключатель. Во втором предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя тиристор. В третьем предпочтительном альтернативном варианте по меньшей мере один из переключающих механизмов включает в себя и механический переключатель, и тиристор. Эти механический переключатель и тиристор могут быть соединены параллельно или последовательно.

Краткое описание чертежей

В качестве примера приведено описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом на фиг. 1 представлена принципиальная схема системы согласно настоящему изобретению в первом варианте ее осуществления;

фиг. 2А-2Е иллюстрируют сигналы, которые используются при пояснении настоящего изобретения; на фиг. 3 представлена принципиальная схема системы согласно настоящему изобретению во втором варианте ее осуществления.

Осуществление изобретения

В настоящем изобретении предложены способ и система для переключения нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой источник напряжения переменного тока. В частности, настоящее изобретение можно использовать для балансировки фаз.

Принципы и осуществление переключения электрической нагрузки в соответствии с настоящим изобретением можно понять, обратившись к чертежам и прилагаемому описанию.

Основной принцип настоящего изобретения состоит в том, что при переключении нагрузки с первого источника напряжения переменного тока на второй источник напряжения переменного тока, временный источник напряжения, который может быть отдельным третьим источником напряжения или который может получать свое напряжение от второго источника напряжения, выдает напряжение на нагрузку в течение промежутка времени между отсоединением первого источника напряжения от нагрузки и подсоединением второго источника напряжения к нагрузке.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы 10 согласно настоящему изобретению, а фиг. 2А-2Е иллюстрируют сигналы, которые используются при пояснении настоящего изобретения. На фиг. 2А-2Е совместно используется общая горизонтальная координата (время). Вертикальными координатами на фиг. 2А и 2Е являются относительные напряжения. Вертикальными координатами на фиг. 2В, 2С и 2Ό являются относительные токи.

Сеть электропитания обеспечивает трехфазное напряжение переменного тока. Эти три фазы являются тремя источниками напряжения, которые обозначены символами В, 8 и Т. На фиг. 2А показаны напряжения этих источников, обеспечиваемых сетью электропитания. Источники В, 8 и Т напряжения сдвинуты друг от друга по фазе на 120°.

Система 10 включает в себя три переключающих механизма 12, 14 и 16. Переключающий механизм 12 попеременно подсоединяет нагрузку 20 к источнику В напряжения и отсоединяет нагрузку 20 от источника В напряжения. Переключающий механизм 14 попеременно подсоединяет нагрузку 20 к источнику 8 напряжения и отсоединяет нагрузку 20 от источника 8 напряжения. Переключающий механизм 16 попеременно подсоединяет нагрузку 20 к источнику Т напряжения и отсоединяет нагрузку 20 от источника Т напряжения. Источник 8 напряжения имеет свою собственную точку 24 подсоединения к нагрузке 20 через резистор 18.

Теперь будет описано, как в настоящем изобретении обеспечивается переключение нагрузки 20 с источника В напряжения на источник Т напряжения.

Сначала переключающий механизм 12 замкнут, а переключающие механизмы 14 и 16 разомкнуты,

- 2 009562 так что нагрузка 20 подсоединена к источнику К напряжения.

В момент А переключающий механизм 14 замыкается, подсоединяя источник 8 напряжения к нагрузке 20 и тем самым обеспечивая протекание тока из источника 8 напряжения к нагрузке 20 и к источнику К напряжения. Поскольку сопротивление нагрузки 20 значительно больше, чем сопротивление источника К напряжения, почти весь ток из источника 8 напряжения течет к источнику К напряжения. Величина тока, текущего из источника 8 напряжения к источнику К напряжения, зависит от сопротивления резистора 18 и от напряжений в сети.

Между моментами А и В напряжение из источника 8 напряжения находится в состоянии ожидания.

В момент В переключающий механизм 12 размыкается, отсоединяя источник К напряжения от нагрузки 20. Протекание тока из источника К напряжения к нагрузке 20 прекращается. Протекание тока из источника 8 напряжения в источник К напряжения также прекращается. Вместо этого, поскольку теперь единственным путем протекания тока из источника 8 напряжения является путь, который ведет к нагрузке 20, ток из источника 8 напряжения теперь течет к нагрузке 20. В этом промежуточном состоянии напряжение на нагрузке 20 зависит от того, как напряжение из источника 8 напряжения делится между резистором 18 и нагрузкой 20. В предпочтительном варианте, сопротивление резистора 18 составляет не более 10% сопротивления нагрузки 20, так что уменьшение напряжения, подаваемого на нагрузку 20 в течение промежуточного состояния, не превышает 10%. Когда переключающие механизмы 12, 14 и 16 выполнены на основе механических переключателей, длительность этого промежуточного состояния зависит от механических свойств переключателей. В одном возможном варианте осуществления системы 10 длительность этого промежуточного состояния составляет примерно 60 мс.

В момент С переключающий механизм 16 замыкается, подсоединяя источник Т напряжения к нагрузке 20. Ток теперь течет из источника С напряжения к нагрузке 20. Поскольку переключающий механизм 14 по-прежнему замкнут, ток также течет из источника 8 напряжения к источнику Т напряжения. Поскольку сопротивление нагрузки 20 значительно больше, чем сопротивление источника Т напряжения, почти весь ток из источника 8 напряжения течет к источнику Т напряжения. Величина тока, текущего из источника 8 напряжения в источник Т напряжения, зависит от сопротивления резистора 18 и от напряжений в сети.

В момент Ό, переключающий механизм 14 размыкается, отсоединяя источник 8 напряжения от нагрузки 20. Теперь нагрузка 20 подсоединена только к источнику Т напряжения, что и требуется.

На фиг. 2В-Э, токи, получаемые системой 10 из сети электропитания, представлены в виде функции времени. На фиг. 2Е, напряжение на нагрузке 20 показано как функция времени. Общая координата времени на фиг. 2А и 2Е позволяет визуально наблюдать напряжение на нагрузке 20. До наступления момента А, когда напряжение на нагрузке 20 обеспечивается источником К напряжения, напряжение на нагрузке 20 оказывается синфазным с напряжением источника К. Между моментами В и С, когда напряжение на нагрузке 20 обеспечивается источником 8 напряжения, напряжение на нагрузке 20 оказывается синфазным с напряжением источника 8. После наступления момента Ό, когда напряжение на нагрузке 20 обеспечивается источником Т напряжения, напряжение на нагрузке 20 оказывается синфазным с напряжением источника Т.

Если переключающие механизмы 12, 14 и 16 представляют собой механические переключатели, то в моменты А, В, С и Ό, когда один из переключающих механизмов 12, 14 и 16 размыкается или замыкается, напряжение на нагрузке 20 может изменяться неравномерно, с последующим вредным влиянием на равномерность синусоидальных сигналов сети электропитания. Поэтому в сильноточных приложениях предпочтительно, чтобы каждый переключающий механизм 12, 14 и 16 был механическим переключателем, соединенным с тиристором параллельно. Точно также в слаботочных приложениях предпочтительно, чтобы каждый переключающий механизм 12, 14 и 16 был тиристором.

Это происходит потому, что для перевода тиристора в разомкнутое состояние должны выполняться два условия. Даже после того, как тиристор получает команду размыкания, он остается замкнутым до тех пор, пока напряжение на нем не упадет почти до нуля. Если переключающие механизмы 12, 14 и 16 включают в себя тиристоры, то источник К или 8 напряжения отсоединяется от нагрузки 20 только тогда, когда напряжение на соответствующем тиристоре падает почти до нуля, почти не оказывая влияния на синусоидальные сигналы сети электропитания. В наиболее предпочтительном варианте тиристоры являются симметричными триодными тиристорами (симисторами).

Когда переключающие механизмы 12, 14 и 16 включают в себя тиристоры, соединенные с механическими переключателями последовательно, то в предпочтительном варианте отсоединение осуществляют, сначала размыкая тиристор, затем механический переключатель, а подсоединение осуществляют, сначала замыкая механический переключатель, а затем - тиристор. Когда переключающие механизмы 12, 14 и 16 включают в себя тиристоры, соединенные с механическими переключателями параллельно, то в предпочтительном варианте отсоединение осуществляют, сначала размыкая механический переключатель, а затем тиристор, а подсоединение осуществляют, сначала замыкая тиристор, а затем механический переключатель.

В вышеописанном примере временный источник напряжения был отдельным от исходного и заключительного источника напряжения. На фиг. 3 представлена принципиальная схема системы 110 со

- 3 009562 гласно настоящему изобретению, в которой временный источник напряжения получает напряжение от заключительного источника напряжения. Эти два постоянно действующих источника напряжения показаны на фиг. 3 в виде двухфазных источников напряжения переменного тока и обозначены символами К и 8.

Система 110 включает в себя три переключающих механизма 112, 114 и 116. Переключающий механизм 112 попеременно подсоединяет нагрузку 120 к источнику К напряжения и отсоединяет нагрузку 120 от источника К напряжения. Переключающий механизм 116 попеременно подсоединяет нагрузку 120 к источнику 8 напряжения и отсоединяет нагрузку 120 от источника 8 напряжения. Переключающий механизм 114 также попеременно, но через резистор 118, подсоединяет нагрузку 120 к источнику 8 напряжения и отсоединяет нагрузку 120 от источника 8 напряжения. Подсоединение источника К напряжения к нагрузке 120 и непосредственное подсоединение источника 8 напряжения к нагрузке 120 осуществляются через общую точку 122 подсоединения. Подсоединение источника 8 напряжения к нагрузке 120 через резистор 124 осуществляется через точку 124 подсоединения, которая находится между нагрузкой 120 и общей точкой 122 подсоединения.

Теперь будет описано, как в настоящем изобретении обеспечивается переключение нагрузки 120 с источника К напряжения на источник 8 напряжения.

Сначала переключающий механизм 112 замкнут, а переключающие механизмы 114 и 116 разомкнуты, так что нагрузка 120 подсоединена к источнику К напряжения.

Первым замыкается переключающий механизм 14, подсоединяя источник 8 напряжения к нагрузке 120 через резистор 118 и, тем самым, обеспечивается протекание тока от источника 8 напряжения к нагрузке 120 и к источнику К напряжения. Поскольку сопротивление нагрузки 120 значительно больше, чем сопротивление источника К напряжения, почти весь ток от источника 8 напряжения течет к источнику К напряжения. Величина тока, текущего от источника 8 напряжения к источнику К напряжения, зависит от сопротивления резистора 118 и от напряжений в сети.

Вторым размыкается переключающий механизм 112, отсоединяя источник К напряжения от нагрузки 120. Протекание тока от источника К напряжения к нагрузке 120 прекращается. Протекание тока от источника 8 напряжения к источнику К напряжения также прекращается. Вместо этого, поскольку теперь единственным путем протекания тока от источника 8 напряжения является путь, который ведет к нагрузке 120, ток от источника 8 напряжения теперь течет к нагрузке 120. В этом промежуточном состоянии напряжение на нагрузке 120 зависит от того, как напряжение от источника 8 напряжения делится между резистором 118 и нагрузкой 120.

Третьим замыкается переключающий механизм 116, подсоединяя источник Т напряжения к нагрузке 120. Ток теперь течет от источника С напряжения к нагрузке 120 как напрямую, так и через резистор 118. Отметим, что в отличие от примера, показанного на фиг. 1 и 2, в котором временный источник (8) напряжения был отделен от заключительного источника (Т) напряжения, а ток в промежутке времени между моментами С и Ό протекал от временного источника 8 напряжения как в направлении нагрузки 20, так и в направлении источника Т напряжения, в данном примере ток от источника 8 напряжения течет только по направлению к нагрузке 120.

И, наконец, размыкается переключающий механизм 114, разрывая соединение источника 8 напряжения с нагрузкой 120. Теперь нагрузка 120 подсоединена непосредственно к источнику 8 напряжения.

Настоящее изобретение описано применительно к балансировке фаз. Специалисты в данной области техники поймут, как применить принципы настоящего изобретения в других случаях, в которых может понадобиться переключение нагрузки с одного источника напряжения переменного тока на другой.

Хотя изобретение описано применительно к ограниченному количеству вариантов осуществления, должно быть ясно, что в изобретение можно внести многочисленные изменения и модификации, а также найти для него другие приложения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ переключения электрической нагрузки с исходного источника напряжения на заключительный источник напряжения, в котором нагрузка сначала подсоединена к исходному источнику напряжения, характеризующийся тем, что содержит этапы, на которых:

(а) к нагрузке подсоединяют временный источник напряжения так, что указанный временный источник напряжения подсоединен к исходному источнику напряжения, причем временный источник напряжения подсоединен к нагрузке через сопротивление, (б) после этапа (а) исходный источник напряжения отсоединяют от нагрузки, (в) к нагрузке подсоединяют заключительный источник напряжения с тем, чтобы подсоединить заключительный источник напряжения к временному источнику напряжения, и (г) отсоединяют временный источник напряжения от нагрузки.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что временный источник напряжения является независимым от исходного источника напряжения и заключительного источника напряжения.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что временный источник напряжения получает напряже

- 4 009562 ние либо от исходного источника напряжения, либо от заключительного источника напряжения.
4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что отсоединение исходного источника напряжения от нагрузки также включает в себя отсоединение исходного источника напряжения от временного источника напряжения.
5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что отсоединение временного источника напряжения от нагрузки также включает в себя отсоединение временного источника напряжения от заключительного источника напряжения.
6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что упомянутое сопротивление равно не более одной десятой сопротивления нагрузки.
7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подсоединение и отсоединение осуществляют с помощью соответствующих переключающих механизмов исходного, временного и заключительного источников напряжения.
8. Способ по п.7, характеризующийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя механический переключатель.
9. Способ по п.7, характеризующийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя тиристор.
10. Способ по п.7, характеризующийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя и механический переключатель, и тиристор.
11. Способ по п.10, характеризующийся тем, что упомянутый механический переключатель и упомянутый тиристор соединены параллельно.
12. Способ по п.10, характеризующийся тем, что упомянутый механический переключатель и упомянутый тиристор соединены последовательно.
13. Система для попеременного подсоединения первого источника напряжения и второго источника напряжения к нагрузке, характеризующаяся тем, что она включает в себя первый переключающий механизм для подсоединения первого источника напряжения к нагрузке и отсоединения первого источника напряжения от нагрузки, второй переключающий механизм для подсоединения второго источника напряжения к нагрузке и отсоединения второго источника напряжения от нагрузки, причем упомянутые первый и второй переключающие механизмы имеют общую точку подсоединения к нагрузке, и третий переключающий механизм для подсоединения временного источника напряжения к нагрузке во второй точке подсоединения между упомянутой общей точкой подсоединения и нагрузкой, и сопротивление, размещенное между третьим переключающим механизмом и второй точкой подсоединения.
14. Система по п.13, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит упомянутый временный источник напряжения.
15. Система по п.14, характеризующаяся тем, что упомянутый временный источник напряжения является независимым от первого и второго источников напряжения.
16. Система по п.14, характеризующаяся тем, что упомянутый временный источник напряжения получает напряжение либо от первого источника напряжения, либо от второго источника напряжения.
17. Система по п.13, характеризующаяся тем, что упомянутое сопротивление равно не более одной десятой сопротивления нагрузки.
18. Система по п.13, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя механический переключатель.
19. Система по п. 13, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя тиристор.
20. Система по п.13, характеризующаяся тем, что по меньшей мере один из упомянутых переключающих механизмов включает в себя механический переключатель и тиристор.
21. Система по п.20, характеризующаяся тем, что упомянутый механический переключатель и упомянутый тиристор соединены параллельно.
22. Система по п.20, характеризующаяся тем, что упомянутый механический переключатель и упомянутый тиристор соединены последовательно.