JP5092073B1 - 多相交流変圧器の突入電流制限のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多相交流電源からの突入電流を制限する。
【解決手段】多相交流電力システムのための突入電流保護回路は、複数の電流制限抵抗器を含み、複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される。回路はまた、複数のパワースイッチも含み、パワースイッチのそれぞれがクローズであるとき、電流制限抵抗器のそれぞれに実質的に電流が流れないように、パワースイッチのそれぞれは、電流制限抵抗器のそれぞれの１つと電気的に並列に結合される。回路はまた、突入電流がパワースイッチではなく電流制限抵抗器のそれぞれを通過するように、パワースイッチのそれぞれをオープンにし、遅延時間が経過した後にクローズするよう制御するパワースイッチコントローラも含みうる。
【選択図】図１

Description

[0001] 本発明は、概して変圧器の突入電流制限に関し、より具体的には、多相交流変圧器の突入電流制限のためのシステムおよび方法に関する。

[0002] 航空機は通常、航空機に搭載の電気システムによる使用のための三相可変（wild）周波数交流（ＡＣ）の電力生成能力を提供する。電気システムは通常、航空機によって提供された可変周波数三相ＡＣ電力を、直流（ＤＣ）電力、一定周波数ＡＣ電力または異なる電圧を有する可変周波数ＡＣ電力のいずれかに変換する電力変圧器を含む。例えば、電力変圧器は、可変周波数ＡＣ電力を、ＤＣ一定電圧電力に変換し、これは次いでＤＣバスを介して１つまたは複数の電気構成要素に供給する。電力変圧器は、例えば、１、２、５、１０、２０、５０または１００アンペアを超える相当量の電流を航空機上の１または複数の電気構成要素に供給しうる。

[0003] 電力変圧器に電気的に結合され電力変圧器から電流を受ける電気構成要素が最初にパワーオンされたとき、電気構成要素および／または電力変圧器が結合している電力バスの大きな静電容量により、電流の「突入」が通常、電力変圧器に流れる。この突入電流は、航空機の電力システムの電力品質要件を上回りうる。

[0004] 航空機の電力システムは通常、継続時間がおよそ２０から２００ミリ秒（ｍｓ）の間で変動する瞬時のパワー中断を有する。負の温度係数（ＮＴＣ）を有するサーミスターを使用する標準的な突入抑制技術は、瞬時のパワー中断に対処する際に問題がある。最初はオープンであり抵抗が高い状態であるＮＴＣは、ＮＴＣを通る電流が加熱を引き起こし、抵抗が減少するにつれて徐々にクローズする。ついで、ＮＴＣを利用する突入保護回路が使用された後、回路は通常、突入保護回路が再び使用できるようになるまでに、少なくともおよそ１秒間クールダウンのために動作不能な状態に維持されなくてはならない。その結果、ＮＴＣを使用する突入保護回路は、このクールダウン期間よりも間隔が詰まっている瞬時のパワー中断に突入保護を提供することができない。

[0005] さらに、ＮＴＣを使用する突入保護回路は通常、航空機に搭載の電気構成要素の電流経路中に連続的に存在する。それゆえ、突入保護回路は、回路が突入保護機能を提供しなくなった後でさえも、突入保護回路を通る電力を受信する電気構成要素の負荷電流全体について定格されるよう設計されなくてはならない。それゆえ、ＮＴＣを使用する突入電流保護回路は、さらなる熱放散、サイズおよび重さを航空機の電気システムに加える。

[0006] 多相交流電力システムのための突入電流保護回路は、複数の電流制限抵抗器を含む。複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。回路はまた、複数の第１のパワースイッチも含みうる。複数の第１のパワースイッチのそれぞれがクローズであるとき、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに実質的に電流が流れず、かつ、複数の第１のパワースイッチのそれぞれがオープンであるとき、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに電流が流れるように、複数の第１のパワースイッチのそれぞれは、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと電気的に並列に結合される。回路はまた、突入電流がパワースイッチではなく複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つを通過するように、複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、遅延時間が経過した後にクローズにするよう制御すべく構成されたパワースイッチコントローラも含みうる。

[0007] 多相交流電源からの突入電流を制限する方法は、多相交流電源からの電圧を複数の電流制限抵抗器に加えることを含む。複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。方法はまた、多相交流電源の動作状況を判定するために多相交流電源の複数の位相の少なくとも１つをモニタすることも含みうる。方法はまた、複数の第１のパワースイッチをオープン状態に維持することも含みうる。電流が複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに流れるように、複数の第１のパワースイッチのそれぞれは、多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合に、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに電気的に並列に結合されうる。方法はさらに、突入電流のピークが通過した後で複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つを実質的に電流が流れないように、多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから遅延時間が経過した後、複数の第１のパワースイッチのそれぞれをクローズすることも含みうる。

［0008］ 可変周波数多相交流電源システムのための突入電流保護回路は、複数の電流制限抵抗器を含みうる。複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、可変周波数多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと可変周波数多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。回路はまた、複数の第１のパワースイッチも含みうる。複数の第１のパワースイッチのそれぞれがクローズであるとき、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに実質的に電流が流れず、かつ、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つがオープンであるとき、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに可変周波数交流が流れるように、複数の第１のパワースイッチのそれぞれは、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと電気的に並列に結合される。回路は、多相交流電源に関する情報をモニタし出力するための、多相交流電源の複数の位相の少なくとも１つと動作可能に結合された多相電力入力モニタを追加的に含みうる。回路は、多相電力入力モニタから出力された情報に応答して、突入電流がパワースイッチではなく複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つを通過するよう複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、かつ、突入電流のピークが通過した後でクローズするよう制御すべく、多相電力入力モニタと通信可能に結合され、かつ、複数の第１のパワースイッチのそれぞれと動作可能に結合されたパワースイッチコントローラをさらに含みうる。

[0009] 図１は、多相交流変圧器突入電流制限回路を含む例示的な電力インタフェースを示す図である。 [0010] 図２は、例示的な多相変圧器の電流突入の特性を示す図である。 [0011] 図３は、例示的なＤＣバス静電容量の電流突入の特性を示す図である。 [0012] 図４は、突入保護回路の実施形態を使用しない、例示的なＤＣバス静電容量の電流突入波形を示す図である。 [0013] 図５は、突入保護回路の実施形態を使用しない、例示的な多相および制御変圧器の電流突入波形を示す図である。 [0014] 図６は、突入保護回路の実施形態を使用する、例示的な総電流突入波形を示す図である。 [0015] 図７は、多層交流電源からの突入電流を制限する方法を示す図である。

[0016] 航空機における可変周波数交流電力は、可変周波数交流電力から電力を引く電気機器に課題を示す。例えば、ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）ファンおよびコンプレッサモータは、可変周波数交流電源によって電力供給される冷却システム機器において一般に使用される。このＢＬＤＣモータは通常、ＢＬＤＣモータの続流要件を維持するよう構成された大きなバス静電容量を有する共通ＤＣバスによって提供される電力により動作するモータコントローラを使用して駆動される。交流（ＡＣ）誘導モータは、可変周波数交流電力システムの変動する周波数とは互換性がないため、ＢＬＤＣモータが通常使用される。ＡＣ誘導モータは通常は、５０または６０ヘルツ（Ｈｚ）といった固定の周波数について設計され固定の周波数で動作する。ＢＬＤＣモータが使用されるためには、可変周波数交流電力は、通常ＡＣ電流の高調波の歪みを引き起こすＤＣバス電圧に整流されなくてはならない。ＡＣ電流高調波の歪みは通常は、航空機の電力品質要件にとっては許容できない。電流高周波を実質的に除去することによって歪みを補正するためにＡＣ変圧器が通常使用される。多相ＡＣ電力システムでは、多相ＡＣ変圧器が使用されうる。しかしながら、多相ＡＣ変圧器およびＤＣバス静電容量のどちらも、許容できない電力品質の別の問題を呈する過剰な突入電流を引き起こしうる。

[0017] 電気負荷を呈する（例えば、航空機に搭載のＡＣ電源から電力を引く）モータコントローラを組み込む電気機器は、通常は、厳密な最大突入電流電力品質要件を満たさなくてはならない。突入電流は、最初の１０マイクロ秒（μｓ）の間に完全な安定状態の負荷で３６０Ｈｚから８００Ｈｚの周波数範囲にかけて、通常の交流電圧振幅で動作する電気機器によって引かれる電流の最大１５０％、その後１．５秒（ｓ）までは１２５％、その後は１１０％に制限される必要がある。突入電流制限は、５０ミリ秒（ｍｓ）過渡電圧といった、過渡電圧による機器の最初のパワーオンおよび再スタートパワーオンによる突入電流を含む。

[0018] 図１は、多相交流変圧器突入電流制限回路１２４を含む例示的な電力インタフェース１０２を示す。多相交流変圧器突入電流制限回路１２４および／または電力インタフェース１０２は、可変周波数交流電力システムについての航空機システム電力品質要件を満たすよう航空機の冷却システムに含まれうる。

[0019] 電力インタフェース１０２は、多相交流電源１０４と結合されうる。多相交流電源１０４は、可変周波数多相交流電源を含みうる。例えば、周波数は、およそ３６０Ｈｚから８００Ｈｚの間で予測不能に変動しうる。周波数の変動は、エンジンに取付けられた発電機を駆動し、多相交流電源１０４の一部として電力を提供するエンジンスピードの変動による。

[0020] 多相交流変圧器突入電流制限回路１２４は、多相交流電源１０４と多相変圧器整流ユニット１０８との間に結合されうる。多相変圧器整流ユニット１０８は、電力インタフェース１０２における突入電流に寄与しうる。多相変圧器整流ユニット１０８の出力は、突入電流に寄与しうる静電容量１２２を備えるＤＣバス１２０と電気的に結合されうる。多相変圧器整流ユニット１０８は、多相交流電源１０４からの可変周波数多相交流電力を、ＤＣバス１２０を介して提供される実質的に一定な電圧のＤＣ電力に変換しうる。

[0021] 複数の電流制限抵抗器１０６が、それぞれ多相交流電源１０４の複数の位相のそれぞれの１つと、多相変圧器整流ユニット１０８のそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。複数の電流制限抵抗器１０６は、多相交流電力インタフェース１０２および／または多相交流電源１０４のパワーオン時において多相交流電源１０４から多相交流電力インタフェース１０２への突入電流を抑制するよう構成されうる。複数の電流制限抵抗器１０６はまた、多相交流電源１０４の瞬時のパワー中断時の突入電流を抑制するようにも構成されうる。

[0022] 複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれがクローズであるとき、複数の電流制限抵抗器１０６のそれぞれの１つに実質的に電流が流れないように、複数の電流制限パワースイッチ１１８は、それぞれ複数の電流制限抵抗器１０６のそれぞれの１つと電気的に並列に結合されうる。本明細書に使用する「実質的に電流が流れない」とは、実際的にかつ通常の明細書から産業的に標準の偏差の範囲内において、電流が流れないことを表すと解釈されうる。いくつかの実施形態では、「実質的に電流が流れない」ときであっても、電気機器リーク電流、電気ノイズ、またはその他の機能的に無視できる電流が存在しうる。電流制限抵抗器１０６に「実質的に電流が流れない」とき、電流制限抵抗器１０６にいまだ流れうる無視できる量の電流が、クローズした電流制限パワースイッチ１１８を流れる電流の量よりもかなり少なく、結果として実際的には重要でない。

[0023] 代替的には、複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれがオープンであるとき、電流は、複数の電流制限抵抗器１０６のそれぞれの１つに流れることができ、電流制限パワースイッチ１１８には実質的に電流が流れない。電流が電流制限抵抗器１０６に流れると、突入電流が抑制されうる。複数の電流制限パワースイッチ１１８は、ＭＯＳＦＥＴ素子、リレースイッチを含みうる。

[0024] 電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタ１１０もまた、複数の電流制限抵抗器１０６のそれぞれと、多相変圧器整流ユニット１０８のそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。ＥＭＩフィルタ１１０は、電磁干渉を低減し、電力インタフェース１０２における電力品質を改善しうる。ＥＭＩフィルタ１１０は、当業界で知られている電磁干渉を抑制するための電気信号フィルタを任意の数だけ含んでよい。

[0025] 複数のシステムパワースイッチ１１２は、それぞれ複数の電流制限抵抗器１０６またはＥＭＩフィルタ１１０のそれぞれの１つと、多相変圧器整流ユニット１０８のそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。複数のシステムパワースイッチ１１２は、ＭＯＳＦＥＴ素子、リレースイッチ、および／または機械的電気スイッチを含みうる。システムパワースイッチ１１２がオープンであるとき、電流は多相変圧器整流ユニット１０８に流れず、その結果、ＤＣバス１２０を介して電力が提供されない。システムパワースイッチ１１２がオープンである場合、突入電流は、多相変圧器整流ユニット１０８またはＤＣバス静電容量１２２によって引き起こされない。さらに、システムパワースイッチ１１２がオープンであるとき、多相変圧器整流ユニット１０８またはＤＣバス１２０から電力を引く電気構成要素は、多相ＡＣ電源１０４における電力変動から保護されうる。システムパワースイッチ１１２がクローズであるとき、多相交流変圧器突入電流制限回路１２４が多相変圧器整流ユニット１０８と電気的に結合されうる。

[0026] 多相電力入力モニタ１１４は、多相交流電源１０４の複数の位相の少なくとも１つをモニタし、それに関する情報をパワースイッチコントローラ１１６に伝送するよう構成されうる。例えば、多相交流電源１０４は、任意の電流制限抵抗器１０６においてモニタされうる。パワースイッチコントローラ１１６は、少なくとも多相電力入力モニタ１１４から受信された情報に応答して、電流制限パワースイッチ１１８を制御するよう構成されうる。例えば、パワー中断が多相電力入力モニタ１１４によって感知されたとき、パワースイッチコントローラ１１６は、複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれをオープンにするよう制御し、それにより、パワー中断に起因しうる突入電流を抑制するよう電流制限抵抗器１０６を電流負荷経路に効果的にインサートする。パワー中断の検出および電流制限パワースイッチ１１８のオープンは、パワー中断の期間よりもかなり早く発生しうるので、発生するパワー中断のそれぞれについて効果的に突入電流保護を提供しうる。

[0027] パワースイッチコントローラ１１６は、突入電流が、電流制限パワースイッチ１１８ではなく、複数の電流制限抵抗器１１６のそれぞれの１つを通過するように、複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれをオープンにし、かつ、突入電流のピークが通過した後にクローズにするよう制御するよう構成されうる。例えば、パワースイッチコントローラ１１６は、パワーオンまたはパワーオン電圧が多相電力入力モニタ１１４によって感知されてから所定の時間が経過した後に、複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれをクローズになるよう制御するよう構成されうる。パワースイッチコントローラ１１６が複数の電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれをクローズにするよう制御する前に経過する所定の時間は、およそ１秒である。

[0028] パワースイッチコントローラ１１６は、多相交流電源１０４のパワーオン過渡が多相変圧器整流ユニット１０８に達しないように複数のシステムパワースイッチ１１２のそれぞれをオープンにするよう制御し、例えば、パワーオン時のパワーオン電圧が多相電力入力モニタ１１４によって感知されてから所定の時間が経過した後に、パワースイッチコントローラ１１６は、クローズにするよう制御するようさらに構成されうる。パワースイッチコントローラ１１６がシステムパワースイッチ１１２をクローズにする前に経過する所定の時間は、およそ２５０ｍｓである。システムパワースイッチ１１２および電流制限パワースイッチ１１８は、パワースイッチコントローラ１１６によって積極的にクローズされない限り、通常はオープン状態である。

[0029] パワースイッチコントローラ１１６は、少なくとも多相交流電源１０４の可変周波数特性に関して多相電力入力モニタ１１４から受信された情報に応答して電流制限パワースイッチ１１８を制御するようさらに構成されうる。パワースイッチコントローラ１１６は、電流制限パワースイッチ１１８をクローズにするときを判定するため、最初のパワーオンの間に所定の遅延時間も使用しうる。例えば、所定の遅延時間は、およそ１秒である。

[0030] パワースイッチコントローラ１１６は、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたコンピュータ実行可能な命令を実行するよう構成されたプロセッサを含みうる。パワースイッチコントローラ１１６はまた、電力インタフェース１０２を制御するために本明細書に記載する方法を行うよう構成された論理を有する電気回路も含みうる。コンピュータ可読記憶媒体の例としては、集積回路（例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＯＭ）、スタティックＲＡＭ、ダイナミックＲＡＭ、およびフラッシュメモリ）、磁気媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク）、光学媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ）および当業界で知られているその他のコンピュータ可読記憶媒体を含む。論理は、個別の電気構成要素、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＲＰＧＡ）および／または当業界で知られているその他の電子技術を使用して実装されうる。

[0031] 制御変圧器１２６が、複数の電流制限抵抗器１０６のうち１つ以上とパワースイッチコントローラ１１６との間で電気的に結合されうる。制御変圧器１２６は、パワースイッチコントローラ１１６に電力供給するために多相交流電源１０４からのＡＣ電力をＤＣ電力出力に変換するよう構成されうる。制御変圧器１２６は、多相変圧器整流ユニット１０８と同様の態様で、電力インタフェース１０２の突入電流に寄与しうる。制御変圧器１２６によって供給される必要のある電流量が、多相変圧器整流ユニット１０８のそれよりもかなり少ないので、突入電流への制御変圧器１２６の寄与は多相変圧器整流ユニット１０８の寄与よりもかなり小さい。例えば、制御変圧器１２６は、低電力レベルで動作しうるパワースイッチコントローラ１１６の回路に電力を供給する必要がありうるのみである。

[0032] 図１の例示的な多相交流変圧器突入電流制限回路は、多相交流電源１０４において不十分な電力が存在するとき、および／または電力インタフェース１０２がアクティブでないとき、電流制限パワースイッチ１１８をオープン位置に維持することによって、航空機冷却システムなどの機器が初めにパワーオンされたときの突入電流を制限しうる。電流制限パワースイッチ１１８がオープンであるとき、電流制限抵抗器１０６は、それぞれ、多相交流電力のそれぞれの位相の実質的に全ての電流負荷と直列に存在しうる。電流負荷は、多相変圧器整流ユニット１０８とＤＣバス１２０に結合されたＤＣバス静電容量１２２とを含み、このどちらもが、電流制限抵抗器１０６が抑制するよう構成されている突入電流に寄与しうる。電流負荷はまた、ＤＣバス１２０から電流を引く任意の電気構成要素も含みうる。

[0033] 多相変圧器整流ユニット１０８は、電力インタフェース１０２における突入電流の最大ソースを呈しうる。これは、多相変圧器整流ユニット１０８において存在する磁化電流に起因する。ＤＣバス静電容量１２２により呈された突入電流は、静電容量を定常値に荷電することに起因する。突入電流が弱まるか、または電力インタフェース１０２またはＤＣバス１２０から電力を引く任意の構成要素の動作にとって実質的に重大な損害でなくなった後、パワースイッチコントローラ１１６は、電流制限パワースイッチ１１８をクローズにするよう制御し、多相交流電源１０４と多相変圧器整流ユニット１０８との間の電気回路（例えば、電流負荷経路）から電流制限抵抗器１０６を効果的に取り除く。突入電流の期間中、電流制限抵抗器１０６が電流負荷経路のみに存在するので、電流制限抵抗器１０６および関連する構成要素は、突入電流についてのみ定格される必要があり、多相変圧器整流ユニット１０８およびＤＣバス１２０を介して多相変圧器整流ユニット１０８から電力を引く電気機器の完全な動作電流または全ての電力負荷について定格される必要はない。

[0034] 図２は、例示的な多相変圧器電流突入特性を示す。図２に示す例示的な多相変圧器電流突入特性は、図１を参照して記載した多相変圧器整流ユニット１０８の特性でありうる。図２に示すとおり、電力インタフェース１０２の入力における電圧Ｖおよび電流Ｉのいずれもの値が０である、パワーオン時から時間ｔが進むにつれて、電圧Ｖは、多相交流電源１０４といった交流電源の周波数で値０を上下する波形を示す。電流Ｉは、変圧器のコアの大きな電磁化電流によって引き起こされる突入電流を示しうる。電流Ｉの振幅は、パワーオン時において変圧器に交流電圧波形が加えられた時間ｔにおける時点に依存しうる。突入電流は、交流電源の交流電圧波形がパワーオン時におけるゼロクロス時に最大になりうる。このとき、変圧器コアにおける電磁化電流は、飽和し、安定状態の動作の間の変圧器コアにおける電流よりもかなり高い振幅でありうる。図２に示すとおり、飽和電磁化電流振幅は、交流電圧波形の前半サイクルにおいて最大となり、その後、変圧器コアが安定化するにつれて弱まり始める。

[0035] 図３は、例示的なＤＣバス静電容量の電流突入特性を示す。例示的なＤＣバス静電容量の電流突入特性は、図１を参照して記載したＤＣバス静電容量１２２の特性でありうる。ＤＣバス静電容量の荷電に起因する突入電流Ｉは、ＤＣバス静電容量における交流電圧波形Ｖがピーク値に達するおよそ時間ｔにおいてピーク値に達しうる。突入電流Ｉは、ＤＣバス静電容量１２２が定常値に荷電されるにつれて減少する交流電圧波形Ｖのサイクルをいくつか有しうる。ＤＣバス静電容量１２２に起因する突入電流Ｉの減少に関連する指数関数的減衰時間が存在する。指数関数的減衰時間は、ＤＣバス静電容量１２２の静電容量値に依存しうる。

[0036] 図４は、突入保護回路の実施形態を使用しない、例示的なＤＣバス静電容量の電流突入特性を示す。多相電力インタフェースの３相（１、２および３）が示される。図４の横軸は、２０ｍｓ／スクエアであり、縦軸は１０Ａｍｐ／スクエアである。図示するとおり、電流の突入は、電力インタフェース１０２に交流波形が提供されるパワーオン時の後に始まりうる。図３を参照して記載するとおり、突入電流は、交流波形の前半サイクルにおいてピークに達し、その後減衰しうる。ＤＣバス静電容量の電流突入は、多相交流電源１０４の位相の任意の２つ以上の間で起こりうる。ＤＣバス静電容量の電流突入によって影響を受ける位相は、非決定的な態様で変動しうるので、ＤＣバス静電容量の電流突入が発生するたびに異なるセットの位相が影響を受ける。図４に示すとおり、ＤＣバス静電容量の電流突入は、位相１と位相３との間で起きている。本明細書に記載する突入電流制限回路の実施形態なしで、突入電流波形は、多相交流電力インタフェース１０２を採用する適用のための電力品質要件に違反しうる。電力品質要件は、許容できる突入電流をすべての位相において定常電流の１２５％までに制限しうる一方で、図４に示す突入電流は、定常電流より一桁以上大きいことがある。

[0037] 図５は、突入保護回路の実施形態を使用しない、例示的な多相および制御変圧器の電流突入波形を示す。多相電力インタフェースの３相（１、２および３）が示される。図５の横軸は、１００ｍｓ／スクエアであり、縦軸は２Ａｍｐ／スクエアである。図示するとおり、突入電流は、電力インタフェース１０２に交流波形が提供されるパワーオン時の後に始まりうる。システムパワースイッチ１１２が最初はオープンであるため、制御変圧器に起因する突入電流５０４が最初に現れ、一方、多相変圧器整流ユニット１０８に起因する突入電流５０６は、システムパワースイッチ１１２がクローズにされてから、後の時点で現れる。図２を参照して記載されるとおり、全ての突入電流は、交流波形の前半サイクルにおいてピークに達し、その後減衰しうる。本明細書に記載する突入電流制限回路の実施形態なしで、突入電流波形は、電力インタフェース１０２を採用する適用のための電力品質要件に違反しうる。電力品質要件は、許容できる突入電流をすべての位相において定常電流の１２５％までに制限しうる一方で、図５に示す突入電流は、定常電流よりかなり大きいことがある。

[0038] 図６は、突入保護回路の実施形態を使用する、例示的な総電流突入波形を示す。多相電力インタフェースの３相（１、２および３）が示される。図６の横軸は、１００ｍｓ／スクエアであり、縦軸は２Ａｍｐ／スクエアである。図示する電流突入波形は、制御変圧器１２６、多相変圧器整流ユニット１０８およびＤＣバス静電容量１２２に起因する突入電流を総計する。図示するとおり、突入電流は、電力インタフェース１０２に交流波形が提供されるパワーオン時の後に始まりうる。突入電流は、本明細書に記載するとおり多相交流変圧器突入電流制限回路１２４の実施形態により抑制されうるため、電力品質要件が満たされる。例えば、突入電流を定常電流の１５０％、１２５％および１１０％以下に制限する電力品質要件が満たされうる。

[0039] 図７は、多相交流電源からの突入電流を制限する方法を示す。図７の方法は、図１を参照して記載した電力インタフェース１０２を使用して実行されうる。多相交流電源は、多相交流電源１０４を含みうる。多相交流電源は、可変周波数多相交流電源を含みうる。図示するステップとその順序は例示にすぎない。本方法に含まれるステップは、異なる順序で適用されてもよく、いくつかのステップはいくつかの実施形態では適用されないこともある。方法は、多相交流電源１０４から電力が供給されている限り、継続的に適用されうる。

[0040] ステップ７０２では、多相交流電源１０４からの電圧が、複数の電流制限抵抗器１０６に加えられうる。複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、多相交流電源１０４の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニット１０８のそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。電力インタフェース１０２の突入電流を含む電流は、複数の電流制限抵抗器１０６を流れうる。複数の電流制限抵抗器１０６を流れる電流は、可変周波数交流を含みうる。

[0041] 例示的な実施形態では、多相交流電源の３相と、３つの電流制限抵抗器１０６と、多相変圧器整流ユニットへの３つの入力（それぞれの位相にそれぞれ１つの入力）とが存在しうる。追加的な電気構成要素が、電流制限抵抗器１０６のそれぞれと多相交流電源との間または電流制限抵抗器１０６のそれぞれと多相変圧器整流ユニット１０８との間の電流負荷経路に含まれうる。その結果、多相交流電源１０４によって提供された全電圧の一部が、追加的な電気構成要素に加えられる一方で、多相交流電源１０４によって提供された全電圧の別の一部が、多相交流電源１０４の位相に対応する電流負荷経路における電流制限抵抗器１０６に加えられうる。

[0042] ステップ７０４では、多相交流電源１０４の複数の位相のうち少なくとも１つの動作状況がモニタされうる。多相交流電源１０４の電圧、電流および／または周波数がモニタされうる。モニタリングは、多相パワーモニタ１１４によってリアルタイムで実行されうる。モニタされた値を含む情報が、パワースイッチコントローラ１１６に提供されうる。

[0043] ステップ７０６では、多相交流電源１０４の動作状況が、安定状態の動作状況であるか否かの判定がなされる。動作状況は、多相交流電源１０４の位相の電圧が例えば、およそ１１０から１２０ボルト（Ｖ）の間の動作範囲にある場合、および／または位相の周波数が、例えばおよそ３６０から８００Ｈｚの動作範囲にある場合に、安定状態であると判定されうる。判定は、モニタされた電圧値および／または周波数値の少なくとも一部に基づきなされる。電力インタフェース１０２から引かれた電流もまた、電力インタフェース１０２と連動する多相交流電源１０４が動作範囲にあるか否かを判定するために使用されうる。判定は、数マイクロ秒間というモニタされた期間にわたる電圧値、周波数値および／または引かれた電流の変化の少なくとも一部に基づきなされうる。判定は、パワースイッチコントローラ１１６によってなされうる。

[0044] ステップ７０８では、ステップ７０６において多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合、システムパワースイッチ１１２はオープンにされるか、またはオープン状態を維持されうる。システムパワースイッチ１１２のそれぞれは、電流制限抵抗器１０６のそれぞれの１つと、多相変圧器整流ユニット１０８のそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合されうる。システムパワースイッチ１１２をオープン状態に維持することで、多相変圧器整流ユニット１０８に実質的に電流が流れない。その結果、多相交流電源１０４のパワーオン過渡が、多相変圧器整流ユニット１０８、または、結合されたＤＣバス１２０からパワーを受けうる任意の電気構成要素に到達しない。いくつかの実施形態では、ステップ７０４において瞬時のパワー中断のみがモニタされた場合、システムパワースイッチ１１２は、オープンにされない（すなわち、クローズのままである）。

[0045] ステップ７１０では、ステップ７０６において多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合、電流制限パワースイッチ１１８はオープンにされるか、またはオープン状態を維持されうる。電流制限パワースイッチ１１８はまた、多相交流電源１０４の動作状況が中断されたと判定された後にオープンにされうる。電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれは、電流制限抵抗器１０６のそれぞれの1つと電気的に並列に結合されうる。電流制限パワースイッチ１１８をオープン状態に維持することで、電流が電流制限抵抗器１０６のそれぞれを流れ、それにより、電力インタフェース１０２への突入電流を制限する。

[0046] ステップ７１２では、ステップ７０６において多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況であると判定された場合、多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから遅延時間が経過されうる。遅延時間は、所定の遅延時間であってもよく、または、多相パワーモニタ１１４からスイッチコントローラ１１６によって受信された情報の少なくとも一部に依存してもよい。ステップ７１２における遅延時間は、多相変圧器整流ユニット１０８を多相交流電源１０４と電気的に結合する前に、多相交流電源１０４のスタートアップパワーオン過渡が減衰することを許容するよう設定されうる。ステップ７１２における遅延時間は、システムパワースイッチ１１２がオープン状態にある場合のみ経過されうる。

[0047] ステップ７１４では、ステップ７１２における遅延時間が経過した後、システムパワースイッチ１１２のそれぞれが、多相変圧器整流ユニット１０８を多相交流電源１０４と電気的に結合するようクローズにされうる。システムパワースイッチ１１２がクローズにされた後、ＤＣバス１２０と結合された電気構成要素によって引かれたシステム負荷電流を含む電流が、システムパワースイッチ１１２に流れうる。電流はまた、多相変圧器整流ユニット１０８からの突入電力および／またはＤＣバス静電容量１２２からの突入電流も含みうる。

[0048] ステップ７１６では、ステップ７０６において多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況であると判定された場合、多相交流電源１０４の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから遅延時間が経過されうる。遅延時間は、所定の遅延時間であってもよく、または、多相パワーモニタ１１４からスイッチコントローラ１１６によって受信された情報の少なくとも一部に依存してもよい。ステップ７１６における遅延時間は、電流制限抵抗器１０６を電力インタフェース１０２のシステム負荷電流経路から電気的に取り除く前に、多相変圧器整流ユニット１０８、ＤＣバス静電容量１２２および／または制御変圧器１２６からの突入電流が減衰することを許容するよう設定されうる。ステップ７１６における遅延時間は、電流制限パワースイッチ１１８がオープン状態にある場合のみ経過しうる。

[0049] ステップ７１８では、ステップ７１６における遅延時間が経過した後、電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれがクローズにされうる。電流制限パワースイッチ１１８のそれぞれがクローズにされた後、電流制限抵抗器１０６のそれぞれに実質的に電流が流れない。その結果、突入電流のピークが通過した後、電流制限抵抗器１０６は、電力インタフェース１０２のシステム負荷電流経路から電気的に取り除かれうる。

[0050] ステップ７２０では、多相変圧器整流ユニット１０８は、多相交流電源１０４からの電流をＤＣ電力に変換しうる。ＤＣ電力は、実質的に一定の電圧であり、ＤＣ電力バス１２０に提供されうる。ステップ７１４においてシステムパワースイッチ１１２がクローズにされた後、初めて電力が多相変圧器整流ユニット１０８に加えられるとき、多相変圧器整流ユニット１１２は、突入電流に寄与しうる。

[0051] 本明細書に記載した実施形態は、本発明の例示的説明である。本発明の上記の実施形態は図に関連して説明されているが、当業者であれば、説明した方法および／または具体的な構造に対する各種の改変や改良が明らかになるかもしれない。本発明の教示に基づいており、それらの教示が当業界の技術を進歩させるようなこれらすべての改変、改良または変更は、本発明の精神と範囲に含まれるものとみなす。従って、説明文と図面は限定的な意味で考えるべきではなく、本発明は紹介された実施形態にのみ限定されることはないと理解するべきである。本明細書における「〜を備える」、「〜を含む」、「〜を有する」という用語は、制約のない専門用語として読み取られるべきである。

Claims (21)

1. 多相交流電力システムのための突入電流保護回路であって、
   前記回路は、
   複数の電流制限抵抗器であって、それぞれが多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される複数の電流制限抵抗器と、
   複数の第１のパワースイッチであって、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれがクローズであるとき、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに実質的に電流が流れず、かつ、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれがオープンであるとき、前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに電流が流れるように、それぞれが前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つと電気的に並列に結合される、複数の第１のパワースイッチと、
   複数の第２のパワースイッチであって、それぞれが前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと、前記多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、複数の第２のパワースイッチと、
   前記多相交流電源が前記突入電流保護回路に加えられたときに突入電流が前記それぞれの第１のパワースイッチではなく前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに流れるように、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、第１の遅延時間が経過した後にクローズにするよう制御するパワースイッチコントローラであって、前記多相交流電源が前記突入電流保護回路に加えられたときに、前記多相交流電源の電源投入過渡が前記多相変圧器整流ユニットに達しないように前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、第２の遅延時間が経過した後に、クローズにするよう制御するパワースイッチコントローラと、
   を含み、前記第２の遅延時間は、前記複数の第１のパワースイッチがクローズになる前に前記複数の第２のパワースイッチがクローズになるように前記第１の遅延時間より短い、突入電流保護回路。
2. 前記多相交流電源の前記複数の位相の少なくとも１つをモニタし、それに関する情報を前記パワースイッチコントローラに伝送する多相電力入力モニタをさらに備え、前記パワースイッチコントローラはさらに、少なくとも前記多相電力入力モニタから受信された情報に応答して、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれを制御する、請求項１に記載の突入電流保護回路。
3. 前記パワースイッチコントローラはさらに、電源中断が前記多相電力入力モニタよって感知されたとき、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにするよう制御する、請求項２に記載の突入電流保護回路。
4. 前記パワースイッチコントローラはさらに、突入電流が前記パワースイッチではなく前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つを通過するように、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、パワーオン電圧が前記多相電力入力モニタよって感知されてから所定の時間が経過した後にクローズにするよう制御する、請求項２に記載の突入電流保護回路。
5. 前記多相電力入力モニタはさらに、前記多相交流電源の前記複数の位相のそれぞれをモニタするよう構成され、前記多相交流電源は、可変周波数多相交流電源であり、前記パワースイッチコントローラはさらに、少なくとも前記可変周波数多相交流電源に関する前記多相電力入力モニタから受信された情報に応答して、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれを制御する、請求項２に記載の突入電流保護回路。
6. 前記多相変圧器整流ユニットをさらに備え、前記多相変圧器整流ユニットは前記突入電流に寄与する、請求項１に記載の突入電流保護回路。
7. 前記多相変圧器整流ユニットの出力が、前記突入電流に寄与する静電容量を備えるＤＣバスと電気的に結合される、請求項６に記載の突入電流保護回路。
8. 前記多相変圧器整流ユニットは、可変周波数多相交流電力を実質的に一定の電圧の直流電力に変換する、請求項６に記載の突入電流保護回路。
9. 前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれと前記多相変圧器整流ユニットの前記それぞれの入力との間に電気的に直列に結合された電磁干渉フィルタをさらに備える、請求項１に記載の突入電流保護回路。
10. 前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれと前記パワースイッチコントローラとの間で電気的に結合される制御変圧器をさらに備え、前記制御変圧器は、前記パワースイッチコントローラに電力供給するために前記多相交流電源を直流電力出力に変換するよう構成され、前記制御変圧器は、前記突入電流に寄与する、請求項１に記載の突入電流保護回路。
11. 前記複数の第１のパワースイッチは、ＭＯＳＦＥＴ素子を含む、請求項１に記載の突入電流保護回路。
12. 多相交流電源からの突入電流を制限する方法であって、
    前記方法は、
    多相交流電源からの電圧を複数の電流制限抵抗器に加えることであって、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、前記多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、加えることと、
    前記多相交流電源の動作状況を判定するために前記多相交流電源の前記複数の位相の少なくとも１つをモニタすることと、
    複数の第１のパワースイッチをオープン状態に維持することであって、電流が前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに流れるように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれは、前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに電気的に並列に結合される、維持することと、
    複数の第２のパワースイッチをオープン状態に維持することであって、前記多相変圧器整流ユニットに実質的に電流が流れず、かつ、前記多相交流電源の電源投入過渡が、前記多相変圧器整流ユニットに到達しないように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合に、前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれは、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと前記多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、維持することと、
    前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから第２の遅延時間が経過した後、前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれをクローズすることと、
    前記突入電流のピークが通過した後で前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに実質的に電流が流れないように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから第１の遅延時間が経過した後、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをクローズすることと、
    を含み、前記第２の遅延時間は、前記複数の第１のパワースイッチがクローズになる前に前記複数の第２のパワースイッチがクローズになるように前記第１の遅延時間より短い、方法。
13. 前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに電流が流れるように、前記多相交流電源の動作状況が中断されたと判定された後に前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをオープンにすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記多相交流電源が、可変周波数多相交流電源を備える、請求項１２に記載の方法。
15. 前記複数の電流制限抵抗器を流れる電流が、可変周波数多相交流を備える、請求項１２に記載の方法。
16. 前記多相変圧器整流器を使用して、前記多相交流電源からの電力を直流電力に変換することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記多相変圧器整流器は、前記突入電流に寄与する、請求項１６に記載の方法。
18. 可変周波数多相交流電力システムのための突入電流保護回路であって、
    前記回路は、
    複数の電流制限抵抗器であって、それぞれが可変周波数多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと可変周波数多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される複数の電流制限抵抗器と、
    複数の第１のパワースイッチであって、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれがクローズであるとき、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに実質的に電流が流れず、かつ、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれがオープンであるとき、前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに可変周波数交流電流が流れるように、それぞれが前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つと電気的に並列に結合される、複数の第１のパワースイッチと、
    複数の第２のパワースイッチであって、それぞれが前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと前記多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、複数の第２のパワースイッチと、
    前記多相交流電源に関する情報をモニタし出力するために、前記多相交流電源の前記複数の位相の少なくとも１つと動作可能に結合される多相電力入力モニタと、
    前記多相電力入力モニタから出力された情報に応答して、前記多相交流電源が前記突入電流保護回路に加えられたときに突入電流が前記それぞれの第１のパワースイッチではなく前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つを通過するよう前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれがオープンにされ、かつ、前記突入電流のピークが通過した後でクローズにされるよう制御されるように、前記多相電力入力モニタと通信可能に結合され、かつ、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれと動作可能に結合されるパワースイッチコントローラであって、前記多相交流電源が前記突入電流保護回路に加えられたときに前記多相交流電源の電源投入過渡が前記多相変圧器整流ユニットに達しないように前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれをオープンにし、所定の時間が経過した後に、または前記多相交流電源が安定状態の動作状況になった後、クローズにするよう制御する、パワースイッチコントローラと、
    を含む、突入電流保護回路。
19. 多相交流電源からの突入電流を制限するための方法を行うためにプロセッサによって実行可能なプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であって、
    前記方法は、
    多相交流電源からの電圧を複数の電流制限抵抗器に加えることであって、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれは、前記多相交流電源の複数の位相のそれぞれの１つと多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、加えることと、
    前記多相交流電源の動作状況を判定するために前記多相交流電源の前記複数の位相の少なくとも１つをモニタすることと、
    複数の第１のパワースイッチをオープン状態に維持することであって、複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つに電流が流れるように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれは、前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに電気的に並列に結合される、維持することと、
    複数の第２のパワースイッチをオープン状態に維持することであって、前記多相変圧器整流ユニットに実質的に電流が流れず、かつ、前記多相交流電源の電源投入過渡が、前記多相変圧器整流ユニットに到達しないように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況でないと判定された場合に、前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれは、前記複数の電流制限抵抗器のそれぞれの１つと前記多相変圧器整流ユニットのそれぞれの入力との間に電気的に直列に結合される、維持することと、
    前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから第２の遅延時間が経過した後、前記複数の第２のパワースイッチのそれぞれをクローズすることと、
    前記突入電流のピークが通過した後で前記複数の電流制限抵抗器の前記それぞれの１つに実質的に電流が流れないように、前記多相交流電源の動作状況が安定状態の動作状況であると判定されてから第１の遅延時間が経過した後、前記複数の第１のパワースイッチのそれぞれをクローズすることと、
    を含み、前記第２の遅延時間は、前記複数の第１のパワースイッチがクローズになる前に前記複数の第２のパワースイッチがクローズになるよう、第１の遅延時間より短い、コンピュータ可読記憶媒体。
20. 前記第１の遅延時間はおよそ１秒であり、前記第２の遅延時間はおよそ２５０ｍｓである、請求項１に記載の突入電流保護回路。
21. 前記第１の遅延時間はおよそ１秒であり、前記第２の遅延時間はおよそ２５０ｍｓである、請求項１２に記載の方法。

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