NO324758B1 - Kombinert vekselstrom-likestrom til likestrom konverter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen relaterer seg til en konverter for å tilveiebringe en likestrømsutgang fra en vekselstrømsforsyning og en likestrømsforsyning, der vekselstrømsforsyningen mater et vekselstørmsignal som omfatter positive og negative halvperioder, konverteren omfatter en spole som er i forbindelse med likestrømsutgangen, konverteren inneholder styrings- og synkroniseringsinnretninger for å styre kontaktinnretninger for å mate effekt fra vekselstrømsforsyningen og likestrømsforsyningen til konverteren.

Patentsøknad nr. WO 0033451 beskriver en konverterenhet for å omforme to eller flere likestrømsspenningsnivåer fra inngangen av konverterenheten til en likestrømsspenning på utgangen av konverterenheten, hvor konverterenheten omfatter styrbare svitsj e-innretninger som er i stand til å tilkople og frakople det individuelle likestrøms-inngangsspenningsnivået for å danne et oscillerende signal, og hvor konverterenheten omfatter filtreringsinnretning for lavpassfiltrering av det oscillerende signalet for å danne likestrømsspenningen på utgangen av konverterenheten.

Konverterenheten oppviser imidlertid de ulemper at den ikke kan tilkoples en vekselstrømsforsyningskilde. I tillegg er konverteren ikke i stand til å utføre en gradvis svitsjing av forsyningskilden uten leveringstap, se beskrivelsen nedenfor av en fremgangsmåte. Konverterenheten er heller ikke i stand til å utføre en adaptiv svitsjing i tilfellet overbelastningssituasjoner.

US patent nr. 5,751,564 beskriver et svitsj-kraftforsyningssystem som er i stand til å tilkople to eller flere forskjellige effektkilder med forskjellige spenningsnivåer og som er i stand til å levere effekt uten effektfeil, selv i tilfellet når den primære effektkilden er lav eller fullstendig fraværende. Utgangsspenningen er mer konstant enn det som er tilfellet for ren kommersiell svitsj effektforsyning, og det indre tap er også mindre. Som et resultat av dette, er back-up leveringstiden mer forlenget enn for et konvensjonelt UPS system. Endelig når det tas i bruk i for eksempel en notebook datamaskin er det ikke noe behov for å bruke en vekselstrøm til likestrøm adaptor når det gjøres forbindelse med en vekselstrømskraftforsyning, og det er mulig å kople svitsj effekt-leveringen direkte til vekselstrømskraftforsyningen.

Kretsen er imidlertid ikke i stand til å utføre en uavbrutt svitsjing mellom vekselstrøms-forsyningskilden og en likestrømsforsyningskilde.

US patent nr. 4,564,767 beskriver en avbruddsfri strømforsyning innbefattende en konverter for å tilveiebringe en likestrømsutgang fra en vekselstrømsforsyning med minst en fase og en likestrømsforsyning, der vekselstrømsforsyningen mater et vekselstrømssignal omfattende positive og negative halvperioder, der konverteren omfatter en spole som er i forbindelse med likestrømsutgangen, hvor konverteren inneholder en styrbar kontaktinnretning tilpasset for tilkobling og frakobling av vekselstrømsforsyningen og likestrømsforsyningen til/fra konverteren og hvor strømpulsene fra likestrømsforsyningen blir regulert i avhengighet av strømpulsene fra vekselstrømssignalet og hvor konverteren inneholder en innretning for spenningsregulering av likestrømsutgangen.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en konverter eller en omformer som kan ta forsyning fra en eller flere forsyningskilder som kan være en vekselstrømskilde med en eller flere faser i kombinasjon med en eller flere likestrømskilder, hvor svitsjing fra en første forsyningskilde til en andre forsyningskilde blir utført gradvis uten leveringsfeil; og hvor - i overbelastningssituasjoner - er det mulig å stole på eller bero på en eller flere forsyningskilder.

Dette kan utføres ved at basert på faseinformasjon fra

vekselstrømsforsyningsspenningen, styrer styrings- og synkroniserinsinnretningene kontaktinnretningene slik at spolen vekselvis er koblet til vekselstrømsforsyningen eller likestrømsforsyningen, hvorved strømpulser overføres med samme polaritet til spolen enten fra likestrømsforsyningen i løpet av den første halvperioden av vekselstrømsforsyningspenningen, eller fra vekselstrømsforsyningsspenningen i løpet av den andre halvperioden av vekselstrømsforsyningsspenningen, der strømpulsene fra likestrømsforsyningen blir regulert i avhengighet av strømpulsene fra vekselstrømsforsyningen, og der konverteren inneholder innretninger for spenningsregulering av likestrømsutgangen.

Ved dette oppnås en fleksibel konverter som kan ta levering fra en vekselstrøms-forsyningskilde og en eller flere likestrømsforsyningskilder; og hvor svitsjing fra en første forsyningskilde til en andre forsyningskilde kan besørges uten leveringstap; og hvor - i overbelastningssituasjoner - kan det stoles på eller beros på to eller flere forsyningskilder. I en typisk overbelastningssituasjon med en vekselsstrømskilde i formen av et strømnett fra en dieselgenerator og en likestrømskilde i formen av et batteri, er fordelen med denne konverteren at strømmen fra vekselstrømkilden kan opprettholdes på en konstant høyeste verdi ved at supplementær energi blir levert fra likestrømskilden. Herved er det mulig å bruke mindre kabler og sikringer i vekselstrømskilden uten at slike sikringer utløses eller går ved overbelastning. Uttrykket" forsyningskilde" ble brukt her til å benevne enten en vekselstørmskilde med en eller flere faser forbundet via dets felles referansepunkt, eller en likestrømskilde eller to likestrømskilder som er koblet i serie via et felles referansepunkt, hvorved det oppnås en positiv og en negativ forsyningsspenning.

Konverteren er karakterisert ved at vekselsstrømsforsyningen som mater enfase-vekselstrømsspenningen er en enfase vekselstrømskilde. Herved er det tilveiebragt en konverter for enfaseenfasesystemet som beskytter mot leveringsfeil i tilfellet brå svitsjing mellom enfase- vekselstrømsforsyningskilden og en, etter valg flere, likestrømsforsyningskilder.

Konverteren er karakterisert ved at vekselsstrømsforsyningen som mater enfase-vekselstrømsspenningen er en polyfase vekselsstrømskilde som mater et antall av enfase-vekselstrømsspenninger.

Herved tilveiebringes en konverter for polyfasesystemet som beskytter mot leveringsfeil i tilfellet brå svitsjing mellom polyfase vekselstrømsforsyningskildenog en, etter valg flere, likestrømskilder.

Konverteren er karakterisert ved at på basis av et signal fra en strømdetektor som måler strømmen gjennom en spole, har en kontrollkretsinnretninger for henholdsvis å tilkople og frakople den ene terminalen til spolen til/fra en likestrømsforsyningskilde; og innretninger for henholdsvis å tilkople og frakople den andre terminalen til spolen til/fra et felles referansepunkt. Strømmen gjennom spolen flyter til likestrømsutgangen av konverteren under perioder hvor den andre terminalen til spolen ikke er tilkoblet det felles referansepunktet. Konverteren er tilveiebragt med innretninger for henholdsvis tilkobling og frakobling av en vekselstrømsforsyningskilde til den ene terminalen av spolen, dvs. den terminalen av spolen som også kan bli tilkoblet likestrømskilden.

Herved oppnås en konverter som har det minst mulige antallet komponenter og som samtidig er i stand til å utføre en gradvis svitsjing mellom forsyningskilder; hvor den ene forsyningskilden er en vekselstrømsforsyningkilde og den andre forsyningskilden er en likestrømsforsyningskilde. Konverteren beskytter mot leveringsfeil under brå svitsjing mellom leveringskildene.

Konverteren er karakterisert ved at innretningene for å henholdsvis tilkoble og frakoble den ene terminalen av spolen til/fra en likestrømsforsyningskilde er en styrbar bryter. Den styrbare bryteren kan reguleres til å være tilkoblet minst en del av hver annen halvperiode.

Herved er det mulig å regulere eller styre tidsperioden når forsyning tas fra likestrøms-forsyningskilden. Dette er knyttet til den fordelen at det muliggjør parallell kobling av et antall konvertere til det samme batteriet. Hver konverter allokeres da en tidsperiode som er forskjellig fra tidsperioden til de andre konverterne, under hvilke konverterne tar energi eksklusivt fra likestrømsforsyningskilden. Valgmuligheten med parallellkobling av konverter til den samme likestrømsforsyningskilden betyr også at forsyningen kan oppnås ved å bruke så få likestrømskilder som mulig.

Konverteren er karakterisert ved at innretningene for å henholdsvis tilkoble og frakoble den andre terminalen til spolen til/fra et felles referansepunkt er en styrbar bryter. Den styrbare bryteren kan regulere eller styre til å være tilkoblet i det minste en del av hver andre halvperiode, og den styrbare bryteren er typisk tilkoblet i styrt eller utbruddsserier.

Herved er det mulig å regulere spenningen ved spolen. På den annen side gjøres det

mulig å utføre en gradvis svitsjing ved forbruk av energi fra likestrømskilden, og på den annen side gjøres det mulig å justere den nominelle utgangsspenningen på konverteren med et felt. Muligheten for å justere den nominelle utgangsspenningen på konverteren innenfor et felt betyr at den samme konverterdesignen kan benyttes hvor det er et krav for flere forskjellige utgangsspenninger. Herved kan antallet forskjellige konvertere bli redusert.

Konverteren er karakterisert ved at halv-ledere blir brukt som styrbare brytere og omfatter minst en av typene felteffekt transistor, bipolar transistor, isolert port bipolare transistor (IGBT), port avskrudd tyristor (GTO) og injeksjonsøkt porttransistor (IEGT).

Herved er det mulig å velge halv-leder teknologi under hensyntagen til kravene til forsyning, konstruksjon og rombehov.

Konverteren er karakterisert ved at i en overbelastningssituasjon er strømmen fra vekselsstrømsforsyningskilden begrenset til en konstant største verdi, ved at supplementer energi leveres fra likestrømsforsyningskilden.

Herved oppnås en skånsom belastning av vekselsstrømsforsyningskilden, hvor konverteren ikke utstøtter vekselsstrømsforsyningskilden for overbelastning.

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert med henvisning til de medfølgende tegningene, hvor;

Figur 1 viser en enkelt fase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning; og Figur 2 viser kurver over et rampe-innforløp for en enfase kombinert vekselstrøm med likestrøm til likestrøm konverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning; og Figur 3 viser en enkelfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv utgangsspenning; og Figur 4 viser kurver over et rampeinnforløp for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrømkonverter ved positiv såvel som negativ utgangspenning; og Figur 5 viser en kurver over et overbelastningsforløp for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrømkonverter med en positiv såvel som negativ utgangsspenning; og Figur 6 viser kurver over et overbelastningsforløp for en trefase kombinert vekselstrøm til likestrøm til likestrømkonverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning; og Figur 7 viser en trefase kombinert vekselstrøms-likestrøm til likestrømkonverter med en positiv såvel som negativ utgangsspenning, konstruert av tre konvertere med delt likestrømsforsyning; og Figur 8 viser en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrømkonverter med positiv utgangspenning konstruert av tre konvertere med delt likestrømsforsyning. Figur 1 viser en enfase eller enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm-konverter 100 med en positiv såvel som negativ utgangsspenning. Den positive terminalen på et batteri 101 er tilkoblet anoden på en tyristor 106. Den negative terminalen på batteriet 101 er tilkoblet et felles referansepunkt 104. Katoden på

tyristoren 106 er tilkoblet katoden på en diode 119. Porten på tyristoren 106 er tilkoblet en utgang på en kontroll eller styrekrets 108. Katoden på tyristoren 106 er tilkoblet en spole 112. En strømsensor 114 lukker forbindelsen med tyristoren 106 og spolen 112. Strømsensoren 114 er tilkoblet en inngang på kontrollkretsen 108. Spolen 112 er videre tilkoblet koHektor på en transistor 110. Kollektaren på transistoren 110 er tilkoblet anoden på en diode 121. Emitter på transistoren 110 er tilkoblet det felles referansepunktet 104. En utgang på kontrollkretsen 108 er tilkoblet basis til transistoren 110. Katoden på dioden 121 er tilkoblet en kondensator 123 og en likestrømsutgang 125. Kondensatoren 123 er videre tilkoblet det felles referansepunktet 104. Likestrømsutgangen 125 er tilkoblet kontrollkretsen 108. Den negative terminalen på batteriet 102 er tilkoblet katoden på tyristor 107. Den positive terminalen på batteriet 102 er tilkoblet det felles referansepunktet 104. Anoden på tyristoren 107 er tilkoblet anoden på diode 120. Porten på tyristoren 107 er tilkoblet en utgang på en kontrollkrets 109. Anoden på tyristoren 107 er tilkoblet en spole 113. En strømsensor 115 lukker forbindelsen mellom tyristoren 107 og spolen 113. Strømsensoren 115 er tilkoblet en inngang på kontrollkretsen 109. Spolen 113 er videre tilkoblet emitter på en transistor 111. Emitteren på transistoren 111 er tilkoblet katoden på en diode 122. Kollektar på transistoren 111 er tilkoblet det felles referansepunktet 104. En utgang på kontrollkretsen 109 er tilkoblet basis på transistoren 111. Anoden på dioden 122 er tilkoblet en kondensator 124 og en likestrømsutgang 126. Kondensatoren er videre tilkoblet det felles referansepunktet 104. Likestrømsutgangen 126 er tilkoblet kontrollkretsen 109. Anoden på dioden 119 er tilkoblet en node 118. Katoden til dioden 120 er tilkoblet noden 118. Noden 118 er tilkoblet en bryter 127. Bryteren 127 er videre

tilkoblet en enfase vekselstrømskilde 103 og inngangen av en synkroniseringskrets 105. Enfase eller enfase vekselstrømskilden 103 er videre tilkoblet det felles referansepunktet 104. Den ene utgangen av synkroniseringskretsen 105 er tilkoblet en inngang på kontrollkretsen 108, og den andre utgangen til synkroniseringskretsen 105 er tilkoblet en inngang på kontrollkretsen 109, og den tredje utgangen på synkroniseirngs-kretsen 105 er tilkoblet den kontroll- eller styreinngang på bryteren 127.

Det er synkroniseringskretsens 105 oppgave å registrere når vekselsstrømskilden 103 er tilstede med en gyldig spenning med tanke på å tilkoble vekselstrømskilden 102 til konverteren 100 via bryteren 127. Dessuten tjener synkroniseringskretsen 105 det formål å synkronisere til vekselstrømsforsyningen ved å generere synkrone kontroll-signaler til kontrollkretsen 108,109 med en kjent fase i forhold til vekselstrøms-forsyningen. I den positive halvperioden av enfase vekselstrømkilden 103, flyter strømmen fra den enfase vekselstrømkilden 103 gjennom kontakten 127, videre gjennom dioden 119, og videre gjennom spolen 112. Dersom transistoren 110 blir avbrutt, flyter strømmen fra spolen 112 videre gjennom dioden 121 til likestrøms-utgangen 125, og dersom transistoren 110 er tilkoblet, flyter strømmen fra spolen 112 til det felles referansepunktet 104. Tyristoren 106 er koblet i denne perioden. I den negative halvperioden til enfase vekselstrømskilden 103, svitsjer kontrollkretsen 102 tyristoren 106 på, hvorved strømmen fra batteriet 101 flyter gjennom tyristoren 106 og videre gjennom spolen 112. Dersom transistoren 110 blir avbrutt, flyter strømmen fra spolen 112 til likestrømsutgangen 125, og dersom transistoren 110 er tilkoblet, flyter strømmen fra spolen 112 til det felles referansepunktet 104. Kontrollkretsen 108 styrer transistoren 110 med pulser ved varierende driftssyklus, og ved en frekvens som vanligvis er betydelig høyere enn frekvensen til enfase vekselstrømskilden 103. Hjelpekretsen som består av spolen 112, transistoren 110 og dioden 121 utgjør en boost konverter. Under perioder når transistoren 110 er tilkoblet, øker strømmen i spolen 112. Under perioder hvor transistoren er frakoblet, flyter strømmen gjennom dioden 121 til vekselstrømsutgangen 125 og vil samtidig starte og avta, og spenningen over spolen 112 har nå den motsatte polaritet. Regulering av driftssyklusen til transistoren 110 muliggjør regulering av strømmen i spolen 112 og således også spenningen på likestrømsutgangen 125. Den gyldige driftssyklusen til transistoren 110 bestemmes av kontrollkretsen 108 på basis av utgangsspenningen som blir målt via en returkobling fra likestrømsutgangen 125. Kondensatoren 123 glatter spenningen på likestrømsutgangen 125 til en likestrømspenning. I den negative halvperioden av enfase vekselstrømskilden 103, flyter strømmen til enfase vekselstrømskilden 103 fra bryteren 127, videre fra dioden 120 og videre fra spolen 113. Dersom transistoren 111 er frakoblet, flyter strømmen til spolen 113 videre fra dioden 122 fra likestrømsutgangen 126, og i tilfellet transistoren 111 er tilkoblet, flyter strømmen til spolen 113 fra det felles referansepunktet 104. Tyristoren 107 er i denne tidsperioden frakoblet. I den positive halvperioden av enfase vekselstrømkilden 103, svitsjer kontrollkretsen 109 tyristoren 107 på, hvorved strømmen til batteriet 102 bringes til å flyte fra tyristoren 107 og fra spolen 113. Dersom transistoren 111 er frakoblet, flyter strømmen til spolen 113, fra dioden 122, fra likestrømsutgangen, og dersom transistoren 111 er tilkoblet, flyter strømmen til spolen 113 fra det felles referansepunktet 104. Kontrollkretsen 109 styrer transistoren 111 med pulser av varierende driftsyklus og ved en frekvens som vanligvis er betydelig høyere enn frekvensen til enfase vekselstrømskilden 103. Hjelpekretsen som består av spolen 113, transistoren 111, og dioden 122 utgjør en boost konverter. Under perioder når transistoren 111 er tilkoblet, øker strømmen i spolen 113.1 perioder når transistoren 111 er frakoblet, flyter strømmen fra dioden 122 fra likestrømsutgangen 126 og vil samtidig starte og avta, og spenningen over spolen 113 har nå den motsatte polaritet. Regulering av driftssyklusen til transistoren 111 muliggjør regulering av strømmen i spolen 115 og således også spenningen på likestrømsutgangen 126. Den gyldige driftssyklusen til transistoren 111 blir bestemt av kontrollkretsen 109 på basis av utgangsspenningen som blir målt via en returkobling fra likestrømsutgangen 126. Kondensatoren 124 glatter spenningen på likestrømsutgangen 126 til en likestrøms-spenning på reguleringen som består av to uavhengige reguleringssystemer, et for den positive utgangsspenningen i kontrollkretsen 108 og et annet for den negative utgangsspenningen i kontrollkretsen 109. Hvert av disse reguleringssystemene har formålet å opprettholde en konstant utgangsspenning og samtidig absorbere en strøm med en forutbestemt veldefinert kurveform, enten strømmen kommer fra vekselstrømskilden eller likestrømskilden. Dette oppnås i praksis ved å benytte to regulatorsløyfer for hver av de to kontrollkretsene 108 og 109, en som opprettholder kurveformen på strømmen, og en annen hvis oppgave er å opprettholde den konstante utgangsspenningen. Regulatorsløyfen som bestemmer strømkurveformen vil vanligvis være hurtigst av de to regulatorsløyfene. Den sender på utgangen et pulsbredde modulert signal til en av de to transistorene 110 eller 111. Hver gang transistoren 110,111 blir skrudd på, øker strømmen i spolen 112,113. Hver gang den blir skrudd av, avtar strømmen, og spenningen over spolen 112,113 har i det tilfellet den motsatte polariteten. I praksis kan denne strømstyringen utføres i samsvar med forskjellige prinsipper som enten holder en konstant eller en variabel frekvens, eller styres i samsvar med den momentane eller gjennomsnittlige størrelsen av strømmen, utjevnet over flere pulser. Disse forskjellige prinsippene må anses å være kjent teknikk og er alle i stand til å kontrollere eller styre strømmen i spolen 112,113 til en konverter 100 til å følge optimalt amplituden og kurveformen på et levert signal. Dette besørges ved å sammenligne den målte størrelsen til strømmen til et signal som korresponderer med den ønskede spenningen og kontinuerlig tilpasse puls/bruddforholdet. Strømmen i spolen 112,113 vil hele tiden enten øke eller avta, men blir regulert kontinuerlig med puls/brudd-forholdet, slik at - gjennomsnittlig over flere pulser, korresponderer med den med den ønskede kurveformen. Uttrykket "pulser" blir brukt i denne sammenheng som ment å angi kontroll eller styrepulser for transistorene 110,111 som normalt vil være en forhøyet frekvens sammenlignet med løpende nettfrekvens. Denne regulatorsløyfen mottar et signal med en kurveform og amplitude som korresponderer med strømmen som det ønskes at den relevante konverteren 100 skal trekke ved en gitt tid. Denne kurveformen blir i det etterfølgende referert til som strømreferansen. Kurveformen til den strømreferansen avhenger av driftsmodusen til konverteren 100. Når det er ønskelig å trekke strøm bare fra vekselstrømskilden 103, vil kurveformen være henholdsvis positive og negative halvperioder av et sinussignal, slik at den totale mengden strøm som blir trukket fra nettet vil være sinusformen. Dette er kurveformen som ses som kurve 231 på figur 1 under tiden 236. Når det er ønskelig å trekke strøm bare fra batteriet 101,102, vil referansen til begge halvdelene av konverteren 100 være eksklusivt likestrømssignaler, siden i dette tilfellet er det ønskelig å trekke konstant likestrøm fra batteriet 101,102. Når det er ønskelig å trekke strøm fra begge kildene, vil strømreferansen ha et utseende som korresponderer med kurven 231 på figur 2 under tiden 235. Denne kurveformen består delvis av sinusformede halvbølger og delvis rektangulære eller trapesformede pulser. Den beskrevne strømreferansen kan enten være generert som en spennings- eller strømkurveform til en elektrisk krets, eller den kan være en digitalt beregnet kurveform generert av for eksempel en mikroprosessor eller en digital signalprosessor (DSP). For å kunne vite i hvilket av de beskrevne driftsformene kjøringen blir utført, er det tilstede en detektorkrets 105 som avgjør hvorvidt vekselstrømskilden 103 er tilstede og har en akseptabel spenningskvalitet. Når dette er tilfredsstilt, velges vekselstrømsdrift. Dersom vekselstrømskilden 103 forsvinner eller på annen måte fastslås å være uakseptabel med hensyn til spenning eller frekvens, utføres svitsjing til batteridrift. Når vekselstrømsspenningen igjen er tilstede og akseptabel, utføres et ramp-inn forløp, som vist på figur 2. Detektorkretsen 105 kan deles av begge konverterne. For å kunne generere de ønskede kurveformene, blir det også benyttet en synkroniseringsenhet 105. Denne mottar også vekselstrømssignåler og synkroniseres til dette vekselssignalet. Den er derved i stand til å sende ut faseinformasjon til de to kontroll/regulatorenhetene 109 og 109 som forteller hvor i tid en er i forhold til null-overgangen på vekselstrømsignalet, for eksempel som en gradangivelse mellom null og 360 grader. Slik faseinformasjon blir så brukt til å bestemme forløper i tid til de beskrevne kurveformene. I tillegg til signalene med hensyn til driftsmodus og synkronisering, må det også være mulig kontinuerlig å tilpasse amplituden og den beskrevne strømreferansen. Ved å endre amplituden på signalene, endres strømmengden som trekkes fra vekselstrømskilden 103 eller likestrømskilden 101,102, og således hvor mye kraft eller effekt som blir levert til konverteren 100. Denne kraftforsyningen må tilpasses kontinuerlig til nøyaktig å dekke behovet for effekt eller kraft som trekkes fra konverterens 100 utgang eller utganger pluss det som kan avskrives som tap. I tilfellet mer kraft blir levert enn det er behov for, vil dette bety at spenningen på kondensatoren 123 eller 124 kontinuerlig vil øke, og korresponderende vil spenningene avta dersom for lite effekt blir levert. For dermed å kunne opprettholde den korrekte utgangsspenningen er det derfor i hver av kontroll/regulatorkretsene 108 og 109 en regulatorsløyfe som måler spenningene 125 og 126 og sammenligner disse med egnede referanseverdier. I tilfellet utgangsspenningen avviker fra den ønskede, blir amplitudene på de beskrevne strømreferansesignalene regulert oppover eller nedover. Bare en spesifikk maksimal verdi for strømmen trukket fra vekselstrømkilden 103 tillates hele tiden. Under et rampe-inn forløp økes denne maksimale verdien lineært fra null til en forutbestemt maksimal verdi innenfor en forutbestemt periode, for eksempel 10 sekunder. Dersom det er ønskelig å levere mer strøm eller effekt enn tillatt av denne maksimale verdien, blir det formet, på den ene side, halvbølgeformede sinussignaler eller maksimalt tillatte verdier, mens den gjenværende delen av effektbehovet blir dekket av strømpulser fra batteriet. Fordelingen mellom de to pulsene blir beregnet kontinuerlig, slik at de kombineres til å dekke behovet for levert effekt. På korresponderende måte blir denne begrensingen av vekselstrømspulser brukt til å begrense strømmen fra et strømnett eller dieselgenerator under overbelastning. I dette tilfellet blir det også beregnet hvor mye supplement det er behov for fra batteriet for å levere den nødvendige totale mengden effekt. Dersom noden 118 blir delt og dersom vekselstrømkilden 103 og bryteren 127 er tilkoblet i stedet til de vekslende strøm-inngangene til en likeretter bro, hvor den positive utgangen fra likeretter broen er tilkoblet anoden på dioden 119, og den negative utgangen til likeretter broen er tilkoblet katoden på dioden 120, er det også mulig å fremskaffe levering fra vekselstrømskilden 103 i begge halvperioder til både den positive halvdelen og den negative halvdelen av konverteren 100. Herved kan effektforbruket fra batteriene 101; 102 bli redusert.

Figur 2 viser kurver til et rampe-innforløp for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning. En første kurve 231 viser strømmen gjennom spolen 112. Den andre kurven 232 viser strømmen gjennom spolen 113. En tredje kurve 233 viser den totale strømmen til

enfase vekselstrømskilden 103. Til den første kurven 231, og den andre kurven 232 og den tredje kurven 233, passer det at den første tidsperiode 234 viser levering eksklusivt fra batteriene 101,102 og en andre tidsperiode 235 viser rampe-innforløp med levering fra batteriene 101,102 og enfase vekselstrømskilden 103, hvor strømmen fra batteriene 101,102 er redusert sammen med at strømmen fra enfase vekselstrømskilden 103 blir økt, og videre en tredje tidsperiode 236 som viser levering eksklusivt fra enfase vekselstrømskilden 103.

Under tidsperioden 234 leverer batteriene 101,102 alene den kombinerte vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverteren 100. Under perioden 235 finner et rampe-inn forløp sted, hvor levering besørges fra batteriene 101,102 såvel som fra enfase vekselstrøm-kilden 103. Styrken til pulsstrømmen fra batteriene 101,102 blir redusert i takt med at pulsstrømmen fra enfase vekselstrømskilden 103 blir økt. Under tidsperioden 236 leverer enfase vekselstrømskilden 110 eksklusivt til den kombinerte vekselstrøm-likestrøm til likestrømkonverteren 100.

Figur 3 viser en enkelfase eller enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 300 med en positiv utgangsspenning. Den positive terminalen på et batteri 301 er tilkoblet anoden på en tyristor 306. Den negative terminalen på batteriet 301 er tilkoblet anoden på en tyristor 306. Den negative terminalen på batteriet 301 er tilkoblet et felles referansepunkt 304. Katoden på tyristoren 306 er tilkoblet katoden på en diode 319. Porten på tyristoren 306 er tilkoblet en utgang på en kontrollkrets 308. Katoden på tyristoren 306 er tilkoblet en spole 312. En strømsensor 314 slutter tilkoblingen mellom tyristoren 306 og spolen 312. Strømsensoren 314 er tilkoblet ved en utgang på kontrollkretsen 308. Spolen 312 er videre tilkoblet en kollektar på en transistor 310. Kollektaren på transistoren 310 er tilkoblet anoden på en diode 321. Emitter på transistoren 310 er tilkoblet det felles referansepunktet 304. En utgang på kontrollkretsen 108 er tilkoblet på basis til transistoren 310. Katoden på dioden 321 er tilkoblet en kondensator 323 og en likestrømsutgang 325. Kondensatoren 324 er videre tilkoblet det felles referansepunktet 304. Likestrømsutgangen 325 er tilkoblet kontrollkretsen 308. Anoden på dioden 319 er videre tilkoblet en bryter 327. Bryteren 327 er videre tilkoblet en enfase vekselstrømskilde 303 og til inngangen av en synkroniseirngskrets 305. Enfase vekselstrømskilden 303 er videre tilkoblet det felles referansepunktet 304. Den ene utgangen til synkroniseirngskretsen 305 er tilkoblet en inngang på kontrollkretsen 308, og den andre utgangen på synkroniseirngskretsen 305 er tilkoblet en kontroll- eller styreinngang på bryteren 327.

Indikasjonen av funksjonalitet til en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 300 med positiv utgangsspenning, i samsvar med figur 3, følger indikasjonen av funksjonalitet for den positive halvdelen av enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 1. Lik den enfase kombinerte vekselstrøm-likestrøm konverteren 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, kan vekselstrømkilden 103 og bryteren 127 i stedet være koblet til de vekslende strøm-inngangene til en likeretter bro, hvor den positive utgangen fra likeretter broen er tilkoblet anoden til dioden 319, og den negative utgangen til likeretter broen er tilkoblet referansepunktet 304. Herved er det mulig å oppnå levering fra vekselstrømskilden 303 i begge halvperiodene til konverteren 300. Herved kan effektforbruket fra batteriet 301 bli redusert.

Figur 4 viser kurver over et rampe-innforløp for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 700, 740, 780 med positiv såvel som negativ utgangsspenning. En første kurve 431 viser strømmen gjennom spolen i den positive halvdelen av konverteren for en fase (fase 1). En andre kurve 432 viser strømmen gjennom spolen i den negative halvdelen av konverteren for den samme fasen (fase 1). En tredje kurve 433 viser den totale strømmengden til vekselstrømkilden 703 for den samme fasen (fase 1). En fjerde kurve (437) viser den totale strømmengden fra batteriet 701 til den positive halvdelen av konverteren for alle tre faser (fase 1, fase 2 og fase 3). En femte kurve 438 viser den totale strømmengden til batteriet 702 fra den negative halvdelen av konverteren for alle tre faser (fase 1, fase 2 og fase 3). Til den første kurve 431 og den andre kurve 432, og den tredje kurven 433, og den fjerde kurven 437 såvel som den femte kurven 438 passer det at den første tidsperiode 434 viser levering eksklusivt fra batteriene 701, 702 og en andre tidsperiode 435 viser et rampe-innforløp med levering fra batteriene 701, 702 og vekselstrømskilden 703, hvor strømmen fra batteriene 701, 702 er redusert i takt med at strømmen fra vekselsstrømskilden 703 blir økt, og en tredje tidsperiode 436 viser en forsyning eller levering eksklusivt fra vekselstrømkilden 703.

Indikasjonen av funksjonalitet for rampe-innforløpet for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 700, 740, 780 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 4, følger indikasjonen av funksjonalitet for rampe-innforløpet for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 2. Det er å merke seg at batteriene 701, 702 blir delt (og identisk) for konvertere 700, 740, 780 for alle tre faser (fase 1, fase 2 og fase 3). Batterier 701, 702 leverer til tre ellers uavhengige kretser 700, 740, 780 som hver korresponderer med en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 1. Dette betyr at batterier 701 er tilkoblet tre tyristorer i hver deres krets 700, 740, 780, og batteriet 702 er tilkoblet tre tyristorer i hver av de samme tre kretsene. De tre kretsene 700, 740, 780 bruker hver deres fase, hvor det felles referansepunktet 704 deles for de tre fasene.

Figur 5 viser kurver over et overbelastningsforløp for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning. Den første kurve 539 viser strømbelastningen i prosentdeler i forhold til en tillatelig øvre strømterskel. En andre kurve 531 viser strømmen gjennom spolen 112. En tredje kurve 532 viser strømmen gjennom spolen 113. En fjerde kurve 533 viser den totale strømmengden til den enfasede vekselstrømskilden 103. Til den første kurven 539, og den andre kurven 531, og den tredje kurven 532, og den fjerde kurven 533, passer det at den første og den tredje tidsperiode 536 viser normal drift med levering eksklusivt fra enfase vekselstrømskilden 103, og en andre tidsperiode 540 viser et overbelastnings-forløp med levering fra begge batteriene 101,102 og enfase vekselstrømskilden 103, hvor strømmen fra batteriene 101,102 har en slik størrelse at strømmen fra enfase vekselstrømkilden 103 holdes konstant og også innen visse tillatelige strømterskler.

Under de to periodene 536 finner normale operasjoner sted, hvor enfase vekselstrøm-kilden 103 alene leverer til den kombinerte vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverteren 100. Under tidsperioden 540 opptrer et overbelastningsforløp, hvor levering finner sted fra begge batteriene 101,102 og enfase vekselstrømkilden 103. Strømpulsen fra batteriene 101,102 blir justert til en slik størrelse at den dekompenseres fullstendig for overbelastningen, hvorved strømmen fra enfase vekselstrømskilden 103 holdes konstant og innenfor visse tillatelige terskler.

Figur 6 viser kurver over et overbelastningsforløp eller kurs for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 700, 740, 780 med positiv såvel som negativ utgangsspenning. Den første kurven 639 viser strømbelastningen som prosentdeler på alle tre faser i forhold til den tillatelig øvre strømterskel. En andre kurve 631 viser strømmen gjennom spolen i den positive halvdelen av konverteren for en fase (fase 1). En tredje kurve 632 viser strømmen gjennom spolen i den negative halvdelen av konverteren for den samme fasen (fase 1). En fjerde kurve 633 viser den totale strømmengden til vekselstrømkilden 703 for den samme fasen (fase 1). En femte kurve 637 viser den totale strømmengden av batteriet 701 til den positive andelen av konverteren til alle tre faser (fase 1, fase 2 og fase 3). En sjette kurve 638 viser den totale strømmengden til batteriet 702 fra den negative halvdelen av konverteren fra alle tre faser (fase 1, fase 2 og fase 3). Til den første kurven 639, og den andre kurven 631, og den tredje kurven 632, og den fjerde kurven 633, passer det at den første og den tredje tidsperiode 636 viser normal drift ved levering eksklusiv fra vekselstrømkilden 703, og den tredje tidsperiode 640 som viser et overbelastningsforløp ved levering fra begge batteriene 701, 702 og vekselstrømskilden 703, hvor strømmen fra batteriene 701, 702 har en slik størrelse at strømmen fra vekselstrømskilden 703 holdes konstant og videre innenfor tillatelige strømterskler.

Indikasjonen av funksjonalitet for overbelastningsformålet for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 700, 740, 780 med positiv såvel som negativ utgangseffekt, i samsvar med figur 6, følger indikasjonen for funksjonalitet for overbelastning forløper for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsbelastning, i samsvar med figur 5. Det er å merke seg at batteriene 701, 702 blir delt (og identisk) for konvertere 700, 740, 780 for alle tre fasene (fase 1, fase 2 og fase 3). Batterier 701, 702 leverer til tre ellers uavhengige kretser 700, 740, 780 som hver korresponderer med en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgagnsspenning, i samsvar med figur 1. Dette betyr at batteriet 701 er tilkoblet tre tyristorer i hver deres krets 700, 740, 780 og batteriet 702 er tilkoblet tre tyristorer i hver av de samme tre kretsene. De tre kretsene 700, 740, 7809 bruker hver deres fase, hvor det felles referansepunktet 704 deles for de tre fasene.

Figur 7 viser en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning konstruert ved hjelp av tre konvertere 700, 740, 80 med delt likestrømsforsyning 701, 702. Den positive terminalen på et batteri 701 er tilkoblet anoden på en tyristor på hver av de tre konverterne 700, 740, 780 korresponderende med tyristoren 106 på figur 1. Den negative terminalen på batteriet 701 er tilkoblet det felles referansepunktet 704. Den negative terminalen på et batteri 702 er tilkoblet katoden på en tyristor i hver av de tre konverterne 700, 740, 780, korresponderende til tyristoren 107 på figur 1. Den positive terminalen på batteriet 702 er tilkoblet det felles referansepunktet 704. En bryter i hver av de tre konverterne 700, 740, 780, korresponderende med bryteren 127 på fig. 1, er tilkoblet hver deres fase på en vekselstrømkilde 703. Vekselstrømskilden 703 er videre tilkoblet et felles referansepunkt 704. De positive utgangene til de tre konverterne 700, 740, 780 er alle tilkoblet en utgang 725. De negative utgangene fra de tre konverterne 700, 740, 780 er alle tilkoblet en utgang 726. Referansene til de tre konverterne 700, 740, 780 er alle tilkoblet referansepunktet 704.

Indikasjonen av funksjonalitet for en trefase kombinert i vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning konstruert av tre konvertere 700, 740, 780 med delt likestrømsforsyning 701, 702, er i samsvar med figur 7, som følger indikasjonen av funksjonalitet for en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 1.

Figur 8 viser en trefase kombinert i vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv utgangsspenning konstruert av tre konvertere 800, 840, 880 med delt likestrømsforsyning 801. Den positive terminal på et batteri 801 er tilkoblet anoden på en tyristor i hver av de tre konverterne 800, 840, 880, korresponderende med tyristoren 306 på figur 3. Den negative terminalen på batteriet 801 er tilkoblet et felles referansepunkt 804. En bryter i hver av de tre konverterne 800, 840, 880, korresponderende med bryteren 327 på figur 3, er tilkoblet hver deres fase på en vekselstrømskilde 803. Vekselstrømskilden 803 er videre tilkoblet et felles referansepunkt 804. De negative utgangene fra de tre konverterne 800, 840, 880 er alle tilkoblet en utgang 825. Referansene til de tre konverterne 800, 840, 880 er alle tilkoblet referansepunktet 804.

Indikasjonen av funksjonalitet for en trefase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter med positiv såvel som negativ utgangsspenning konstruert av tre konvertere 800, 840, 880 med felles likestrømsforsyning 801, i samsvar med figur 8, følger indikasjonen av funksjonaliteten for den positive halvdelen av en enfase kombinert vekselstrøm-likestrøm til likestrøm konverter 100 med positiv såvel som negativ utgangsspenning, i samsvar med figur 1.

Konverteren (100, 300, 700, 740, 780, 800, 840, 880) kan karakteriseres for eksempel ved at - ved en gitt belastning, typisk full belastning - på minst en likestrømsutgang (125, 126, 325, 725, 726, 825) finner svitsjing adaptivt sted fra en likestrøms forsyningskilde (101, 102, 301, 701, 702, 801) til en vekselstrøms forsyningskilde (103, 303, 703, 803), typisk en diesel generator, under hensyntagen til frekvensstabilitet og spenning på vekselstrøms forsyningskilden (103, 303, 703, 803). Ved slik adaptiv svitsjing av kilde vil gradvis svitsjing fra likestrøms forsyningskilden til vekselstrøms forsyningskilden finne sted, hvor levering fra begge forsyningskildene finner sted under svitsje- eller omkoblingstiden. Den adaptive svitsjing av kilde omfatter etter valg at det er flere, påfølgende perioder med levering fra begge forsyningskildene. Sluttlig betyr den adaptive svitsjing av kilden at det er mulig å svitsje fullstendig eller delvis tilbake til likestrøms forsyningskilden. Herved oppnås en glattere kobling til vekselstrøms forsyningskilden, hvor konverteren ikke utsetter vekselstrøms forsyningskilden for brå og kraftige belastningskoblinger. Herved blir vekselstrømskilden beskyttet mot overbelastning med følgende fluktuasjon av for eksempel frekvens og spenning. Dersom vekselstrømskilden for eksempel er en dieselgenerator, er det viktig å unngå brå og kraftige belastningskoblinger, siden disse overføres på rotorstrømmen, hvorved dieselgeneratoren blir ustabil med hensyn på både frekvens og spenning. I et verste tilfellescenario kan ustabiliteten resultere i selvoscillasjon med påfølgende leveringsfeil. Konverteren (100, 300, 700, 740, 780, 800, 840, 880) kan karakteriseres for eksempel ved at ved levering fra en vekselstrøms forsyningskilde (103, 303, 703, 803), typisk en dieselgenerator, blir kompensert for dynamiske belastningsendringer, hvor strømmen fra minst en likestrømsutgang (125,126, 325, 725, 726, 825) blir økt adaptivt. Den adaptive kompensasjonen av dynamiske lastendringer opptrer med hensyn på stabilitet av frekvens og spenning på vekselstrøms forsyningskilden (103, 303, 703, 803) ved at det tilveiebringes supplementær energi fra en likestrøms forsyningskilde (101,102, 301, 701, 702, 801). Ved slik adaptiv kompensasjon av dynamiske lastendringer, vil en supplementær levering fra likestrøms forsyningskilde opptre idet denne leveringen vil finne sted i en tidsperiode fra begge forsyningskildene. Etter valg kan det være flere påfølgende perioder ved levering fra begge forsyningskildene. Herved oppnås en glattere eller mer skånsom belastning på vekselstrømsforsyningskilden, hvor konverteren ikke utsetter vekslestrøms forsyningskilden for brå og kraftige lastkoblinger. Herved beskyttes vekselstrømskilden mot overbelastning med påfølgende fluktuasjon av for eksempel frekvens og spenning. Dersom for eksempel vekselstrømskilden er en diesel-generator, er det viktig å unngå brå og kraftige belastningskoblinger, siden disse overføres på rotorstrømmen. Herved blir dieselgeneratoren ustabil med hensyn på både frekvens og spenning, og i et verste tilfelle scenario kan ustabiliteten resulterer i selv-oscillasjon med påfølgende leveringsfeil.

Claims (8)

1. Konverter (100, 300) for å tilveiebringe en likestrømsutgang (125, 126, 325) fra en vekselstrømsforsyning (103, 303) og en likestrømsforsyning (101,102, 301), der vekselstrømsforsyningen mater en enfase vekselstrømsspenning omfattende positive og negative halvperioder, der konverter omfatter en spole (112,113, 312) som er i forbindelse med likestrømsutgangen, der konverteren inneholder en styrings- og synkroniserinsinnretninger (105,108,109, 305, 308) for å styre kontaktinnretninger (106, 107,127, 306, 327) for å mate effekt fra vekselstrøms-forsyningen og likestrømsforsyningen til konverteren, karakterisert ved at basert på faseinformasjon fra vekselstrømsforsyningsspenningen, styrer styrings- og synkroniseringsinnretningene (105,108,109, 305, 308) kontaktinnretningene (106,107,127, 306, 327) slik at spolen (112,113, 312) er koblet vekselvist til vekselstrømsforsyningen eller likestrømsforsyningen, hvorved strømpulser overføres med samme polaritet til spolen (112, 113, 312) enten fra likestrømsforsyningen i løpet av den første halvperioden av vekselstrømsforsyningspenningen, eller fra vekselstrømsforsyningsspenningen i løpet av den andre halvperioden av vekselstrømsforsyningsspenningen, der strømpulsene fra likestrømsforsyningen blir regulert i avhengighet av strømpulsene fra vekselsstrømsforsyningen, og der konverteren inneholder innretninger (110,111, 121, 310, 321) for spenningsregulering av likestrømsutgangen.

2. Konverter ifølge krav 1, karakterisert ved at vekselstrømsforsyningen som mater enfase vekselstrømsspenningen er en enfase vekselstrømskilde.

3. Konverter ifølge kravl, karakterisert ved at vekselstrømsforsyningen som mater enfase vekselstrømsspenningen er en polyfase vekselstrømskilde som mater et antall av enfase vekselstrømsspenninger.

4. Konverter ifølge minst et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at, på basis av et signal fra en strøm-detektor (114,115,314) som måler strømmen gjennom en spole (112,113, 312), har en styrekrets (108,109, 308) innretning for henholdsvis tilkobling og frakobling av den ene terminalen til spolen (112,113, 312) til en likestrøms forsyning (101,102, 301, 701, 702, 801), og innretning for henholdsvis å tilkoble og frakoble, den andre terminalen av spolen (112, 113, 312) til et felles referansepunkt (104, 304); og at strømmen gjennom spolen (112,113, 312) flyter til likestrømsutgangen (125,126, 325) av konverteren (100, 300) under tidsperioder, hvor den andre terminalen til spolen (112,113, 312) ikke er tilkoblet det felles referansepunktet (104, 304); og at konverteren (100, 300) har innretning for henholdsvis tilkobling og frakobling av en vekselstrøms forsyning til/fra den ene terminalen til spolen.

5. Konverter ifølge krav 4, karakterisert ved at koblingsinnretningene er en styrbar bryter; og at den styrbare bryteren kan reguleres til å være tilkoblet i det minste en del av hver annen halvperiode.

6. Konverter ifølge minst et av kravene 1 til 5, karakterisert v e d at den styrbare bryteren kan reguleres til å være tilkoblet i det minste en del av hver annen halvperiode; og at den styrbare bryteren typisk er tilkoblet i utbrutte (burst) rekker.

7. Konverter ifølge minst et av kravene 4 til 6, karakterisert v e d at halvledere blir brukt som styrbare brytere innbefattende minst en av typene felt effekttransistor, bipolar transistor, isolert port bipolar transistor (IGBT), port avskrudd tyristor (GTO) og injeksjonsøkt port transistor (IEGT).

8. Konverter ifølge minst et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at i en overbelastningssituasjon blir strømmen fra vekselstrømsforsyningen begrenset til en konstant maksimal verdi, ved at supplementær energi blir matet fra likestrøms forsyningen.