CN101971474A - 具有保护电路的磁能再生开关 - Google Patents
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Abstract
为了进行磁能再生开关(MERS)的过电压和过电流保护，设置用于检测MERS的电容器电压的电压检测部，并设置控制部，该控制部进行如下控制：当所述电压检测部的输出超过预定值时，接通与电容器并联连接的放电电路的开关，以释放电容器的电荷。此外，在交流电源和负载之间***用于检测流过负载的电流的电流检测部，当电流检测部的输出超过预定值时，使MERS的开关的选通控制信号脉冲的接通/断开占空比小于0.5，由此进行限流控制。
Description
技术领域
本发明涉及磁能再生开关，该磁能再生开关连接于交流电源与负载之间，并具有保护电路，该保护电路用于对构成该磁能再生开关的逆导型半导体开关进行过电压保护，并对半导体开关和负载进行过电流保护。
背景技术
如今，电力***是非常重要的社会基础设施，其甚至片刻都不能停止。然而，在负载异常或故障导致过电流时，应对的措施是快速地断开负载，如使用保险丝或高速机械开关。然而，需要高性能开关，即所谓的控制器或限流器，其能够不完全切断，而仅仅限制过电流而允许继续工作，并且在复原之后照样工作。
电力***必须被设计为耐受白炽灯点亮时的涌流等的短时过电流、感应电机的启动涌流或者变压器的初始励磁突入过电流。适当地分配设备的耐量是很重要的，但近年来的半导体型逆变器电源(诸如燃料电池逆变器)大多不能承受将近变压器励磁突入电流的十倍的峰值电流。因此，逆变器电源具有各种软启动功能，不过，如果一个逆变器电源有一个负载，则该功能起作用，但在一个逆变器电源连接了多个负载的情况下，对于后来启动的负载，该功能无法奏效。
在电力***中，考虑到保护协调、电流及持续时间来进行设计，以使得能够耐受事故时短时间的过电流，然后，这仅仅是旨在通过由开关选择性地断开事故电流来使事故不波及到上游的保护协调。近年来社会的要求是，如果在***的下游发生事故，则不切断电源而尽可能地连续工作。
对于用串联元件来对事故电流进行限流的限流器，正在开发利用超导与常电导之间的转移现象的限流器，这是因为事故电流过大时断路器的容量也变得过大，如果通过限流器将事故电流减小至一半也可以的话，则能够削减断路器的尺寸和成本。
在三相变压器的情况下，预计会有铁芯饱和所导致的励磁涌流。因此，变压器本身必须具有对抗电线电磁力的过电流承受能力。
发明内容
发明要解决的技术问题
磁能再生开关是可以在交流电源与负载之间进行电力控制的开关。磁能再生开关具有由四个选通信号独立地接通/断开的开关的结构，并且能够在电容器中储存再生负载的磁能。已经授权并公开了(参见日本专利第3634982号公报)通过在电容器中自动生成电压来生成电抗电压，由此实现各种电力控制。该开关的特征在于，能够与电源电压同步地使连接成电桥的四个逆导型半导体开关的相对的开关对的选通(gate on)信号交替地接通/断开(ON/OFF)，并能够对电流的相位进行超前控制，并且对于感性负载，能够通过使电流相位超前来提高和降低负载的电压。
当通过这些逆导型半导体开关的正常工作来控制由于负载的过电流所导致的过大磁能时，可能会导致再生得到预料之外的大磁能，从而超过电容器的耐电压、逆导型半导体开关的电流容量和耐电压。在这种情况下，如果逆导型半导体开关能够得到立即保护，那么负载和电源也能得以保护。该保护逆导型半导体开关的功能是重要的，同时逆导型半导体开关本身不具有过大的过负载耐量亦可，这对于开关的小型化和低成本化也是很重要的。
图1示出了已经申请专利并公开的使用磁能再生开关的交流电源装置(参见日本特开2004-260991号公报)。其中，在过渡的短时间中负载R的电阻成分减小的情况下，流过大电流而磁能增加，电容器C不能吸收完磁能而出现过电压。此时可以预料到，逆导型半导体开关(S1～S4)也被施加相同的电压而超过耐电压，直至被破坏。
图2通过计算机仿真示出了当负载R的电阻成分减半而流过过电流，结果电容器的电压急剧升高的情况。在该事故发生后0.5秒，电容器电压的峰值从200V急剧升高至700V。这表明，磁能再生开关的电容器由于仅需储存负载的磁能而能够小型化的优点，在过电流的情况下会变成可吸收能量小的缺点。
为了保护这种逆导型半导体开关，通过转移至旁路模式(短接)而中止开关的工作是很简单的。但是，这将中止所有负载的工作，甚至导致连接而工作的其它设备也同时停止工作。以前这被视为是不可避免的。该磁能再生开关具有利用四个逆导型半导体开关来再生磁能的蓄能电容器，并且可以自由地设定断开/接通的定时。如果采用充分利用了这一点的操作控制方法，则可以在过电流时不是简单地进行切断，而是最大能力地阻止/限制电流，并且当过电流的原因被消除时恢复正常，所以该磁能再生开关可以成为更高性能的交流开关。
本发明是考虑到上述情况而提出的，目的在于提供具有保护电路的磁能再生开关，该保护电路用于保护磁能再生开关免受由于负载的异常和/或故障所导致的过电压和过电流。
解决技术问题的手段
本发明涉及具备保护电路的磁能再生开关，该磁能再生开关***在交流电源和负载之间，具有用于接通/断开交流电流并改变所述交流电流的相位的可变电抗功能，该保护电路用于进行过电压或过电流保护。本发明的上述目的将通过具有保护电路的磁能再生开关实现，所述磁能再生开关具有：
桥电路，其由四个逆导型半导体开关构成；
电容器，其连接在所述桥电路的直流端子之间，对电流切断时的磁能进行再生和储存；以及
控制单元，
其中，所述保护电路具有：
电压检测部，其与所述电容器并联连接，检测所述电容器的电压；以及
放电电路，其与所述电容器并联连接，具有串联连接的放电电阻和放电开关；并且，
其中，所述控制单元控制选通控制信号的相位，以与所述交流电源的电压同步地同时对所述逆导型半导体开关对的桥电路的相对的开关对进行接通/断开控制，并且当所述电压检测部的输出超过预定值时控制所述放电开关的选通，使所述放电开关短接，通过所述放电电阻对所述电容器的电荷进行放电。
另外，本发明的上述目的可通过如下的具有保护电路的磁能再生开关实现，其中，所述保护电路还具有***在所述交流电源和所述负载之间的电流检测部，该电流检测部检测流过所述负载的电流；并且当所述电流检测部的输出超过预定值时，所述控制单元通过使所述控制信号的脉冲的接通/断开的占空比小于0.5来进行限流控制。
另外，可通过以下方式有效地实现本发明的上述目的：当所述电压检测部的输出超过所述预定值的时间长度超过预定时间时，所述控制单元控制选通以断开所有所述四个逆导型半导体开关，从而切断电流；或者当所述电压检测部的输出超过所述预定值的时间长度超过预定时间时，所述控制单元控制选通，使得当所述电容器电压为零时接通所有所述四个逆导型半导体开关，成为电流双向导通状态。
此外，可通过以下方式有效地实现本发明的上述目的：所述保护电路还具有***在所述交流电源和所述负载之间的电流检测部，该电流检测部检测流过所述负载的电流，其中，当所述电流检测部的输出超过预定值时，所述控制单元控制选通以断开所有所述四个逆导型半导体开关，从而切断电流；或者控制选通，以仅将所述桥电路的相对的开关对中导通的开关对中的一个逆导型半导体开关切换为截止，从而切断电流。
附图说明
图1示出使用传统的磁能再生开关的交流电源装置的示例。
图2示出过电压和过电流发生的仿真结果。
图3是示出根据本发明具有保护电路的磁能再生开关的结构的电路框图。
图4示出由于选通控制相位的步长变化导致的电流波形紊乱。
图5示出通过选通脉冲的占空比控制而实现的电流控制。
图6示出由通过过电压保护而实现的电流控制。
图7示出仿真模型及其结果。
图8是用于仿真的电路框图。
图9示出通过仿真获得的分析结果。
图10示出通过仿真得到的断开所有选通的效果。
图11示出当电流的瞬时值超过预定值时，关于停止S1和S4的选通的控制的仿真结果。
具体实施方式
本发明涉及具有保护电路以进行磁能再生开关的过电压和/或过电流保护的磁能再生开关，图3示出了本发明的优选实施方式。
本发明的具有保护电路的磁能再生开关(以下称为MERS)由桥电路、电容器2以及控制单元4构成，其中，所述桥电路由四个逆导型半导体开关1(以下称为半导体开关)(S1～S4)构成，所述电容器2连接在该桥电路的直流输出端子之间，对电路的电流切断时的磁能(缓冲能量，snubber energy)进行再生和储存，所述控制单元4对选通控制信号的相位进行控制，使得对半导体开关1的桥电路的相对的开关对(S1和S3，S2和S4)同时进行接通/断开控制。该MERS串联地***在交流电源3和负载(L，R)之间。
用于MERS的过电压或过电流保护的保护电路具有与电容器2并联连接的电压检测部5和与电容器2并联连接的放电电路6，其中，所述电压检测部5用于检测电容器2的电压，所述放电电路6中串联连接了放电电阻61和放电开关62，放电开关62的接通/断开由从控制单元4提供的选通控制信号来控制。具体而言，电压检测部5的输出被输入控制单元4，与预先储存在控制单元4中的预定值(阈值)相比较，当电压检测部5的输出超过阈值时，即，当电容器电压成为过电压时，从控制单元4向放电开关62的栅极发送导通信号，使放电开关62短接，通过放电电阻61释放电容器2的电荷，由此降低电容器电压，并且当电容器电压恢复到正常范围内时，从控制单元4向放电开关62的栅极提供截止信号，放电开关62截止。作为半导体开关，可以使用功率金属氧化物半导体场效应管(Power MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。
在增加了通过对电容器2的过电压进行放电来实施保护的放电电路6的情况下，若如图4所示当电容器电压超过400V时，放电开关52导通，使得向放电电阻61释放电流的放电电路6工作，则不会成为400V以上。重要的是由于电容器电压得以抑制，使得电抗电压得以抑制，因此，通过电容器电压的限制，也抑制了负载电流的上升。磁能再生开关的过电流的特征在于，电容器电压上升得很迅速，并且如果电容器电压被抑制，则电流不会上升，这与传统的逆变器装置的电容器过电压保护有着本质的不同。
作为另一个方法，当磁能再生开关或电容器超过耐电压时，可以使磁能再生开关的选通控制信号的相位进一步超前，以减小负载的分担电压。然而，选通脉冲的相位的控制周期是电源同步的半周期，因此，接近相位速度的接通/断开相位变化会由于导通时间为半周期以上而在负载处产生直流成分，这是不理想的。必须在接通/断开相位的变化中引入10毫秒以上的时间常数。一个周期之后才会出现效果。至于负载的输出变化控制，该通常的控制就够了，然而，对于事故等导致的过电流，电流增大速度快于一个周期，所以不能奏效。图5是在选通信号相位的急剧改变下，脉冲缺失而输出电流波形出现紊乱的仿真图。
在本发明的保护电路的更加优选的实施方式中，采取了减小导通信号的脉冲宽度的方法(即，使选通脉冲信号的占空比小于0.5)。
即，通过在交流电源3和负载之间***电流检测部7来对流过负载的电流进行检测，并且当电流检测部7的输出超过预定值时，控制单元4使半导体开关1的选通控制信号的脉冲的接通/断开占空比小于0.5，从而进行限流控制。
通过对放电电路6所实现的电容器放电与通过使半导体开关1的选通控制信号的脉冲的接通/断开占空比小于0.5而实现的限流控制相结合，进一步改善了MERS的保护功能。
图6示出进行如下仿真的结果：其中，导通信号的脉冲宽度在时刻0.65秒从180°急剧地减小，并在时刻0.85秒恢复为原样。可知即使脉冲宽度急剧地减小，也在电流波形不出现紊乱的情况下电流减小。
总之，通过电容器的电压削峰实现的过电压保护功能和通过导通信号的脉冲宽度控制实现的电流限制功能的结合，能够广泛地用作MERS的保护方法，并且这是通过这样的结合才能实现的保护。
针对瞬时过电压，本发明设置有放电电路6，该放电电路6用于释放成为过电压的电容器的电荷，首先，通过最简单和有效的方法实现对电容器2和半导体开关1的过电压保护。与电压型转换器不同，由于交流电源3和负载只是串联连接的，MERS电路的短接不会产生问题。放电电阻61由放电电路6的电流容量来确定，并且还可根据放电开关62的热容量来确定，不过放电开关62的导通电阻的10倍至20倍可以是一个大概标准。在本实施例中使用10Ω。
对于放电开关62可以使用闸流管，不过之后作为MERS的工作中止，超前的电抗电压将变为零，因此总的电抗会变得很大。这是作为限流器的功能，是重要的功能。然而，由于要把电容器的能量完全释放，放电电阻61的容量必须很大。另外可以取代放电开关62而使用诸如氧化锌非线性电阻(ZNR)或者CYDAC的电压非线性元件。
MERS的控制单元4在检测到过电压时通过该过电压信号，或在检测到电流的过大值时通过过电流信号，或者通过两者的结合，来减小导通信号的脉冲宽度。通过允许导通中的信号瞬时地变为截止，阻止电压的上升，并且，通过电流反馈控制，使负载电流降低到过电流保护水平之下。电容器的过电压也被降低到保护水平以下。新颖之处在于，将通过放电开关62进行的放电与通过选通脉冲的占空比控制实现的电流反馈控制结合起来，由此使得半导体开关不被破坏，通过限流控制使得MERS可以作为限流器来进行工作。结果，当负载启动时的涌流结束时，可以自动地恢复为通常运转。这是一个重要的出发点，即MERS不只是接通/断开，还具有更加智能的功能。已经围绕多种限流器对事故时的限流作用进行了研究，并且这种研究还没有完成，本发明的MERS是理想的交流电流开关，因此，本发明可以提供半导体化的静态限流器，即使当所有选通都被断开时，该半导体型静态限流器也可以通过减小电容器电压来限制电流。由于半导体技术的进步，这种操作变得可行，并且当针对MERS特别开发的具有1.54V导通损耗(与闸流管相同)的IGBT作为交流半导体开关使用时，由于其正常的导通损耗很小，因此，可以提供这种智能的交流半导体开关，并且对于出现事故时的保护或对于仅在初始启动时的涌流，不需要停止工作，并且，将电流限制在为该电路预定的过载容量之内，继续该工作并等待该瞬态条件终止。
图3示出了本发明的实施方式，其中，半导体开关1被配置为桥结构并且在直流端子上连接了储存磁能的电容器2。该电容器与传统的电压型逆变器不同，仅用于储存负载的磁能，因此，该电容器的静电电容可以很小。该电容器的特征是在每半个周期中，电压达到峰值并通过放电变成零电压。
充电/放电的电流波形应该选择为近似交流电压源的角速度ω0，结果，谐波减少。静电电容C和交流电感L之间的关系式为：
LC＝ω0 -2 ………(式1)
此外，通过使静电电容C的值稍小于由式1求出的值，在半周期的放电之后，出现电压为0的期间，半导体开关1的开关变得容易。单相逆变器的电压源电容器与传统的PWM变流器不同，其特征是大幅减小的电容。
由于电容器2的电压按照选通周期震荡，所以必须高速地实现过电压保护。电压检测电路5检测出的电容器电压快要超过阈值时，通过电流限制的放电电阻61等进行放电，结果，电容器的电压不会超过阈值而止于该值。
另外，还接收来自电流检测电路7的检测信号，使导通信号的脉冲宽度(占空比)小于0.5，以维持过电流的阈值。
利用图7的仿真结果进行说明。当检测电流超过阈值时，控制单元4使选通控制脉冲的占空比小于0.5，缩短导通时间。这不会瞬时地产生效果，所以还需要电容器的放电电路6。当电流超过阈值时，半导体开关1的截止时间变长(导通的脉冲宽度变窄)，结果，半导体开关1作为限流器发挥作用。所产生的最大反向电压是电容器的保护水平电压。
由于电容器的耐电压大于电源电压的1.4倍，所以电流减小。
控制单元4具有检测交流电源3的电压相位的能力，并发送四个半导体开关1所需的选通信号。虽然向S1和S3、S2和S4的对置的配对半导体开关的栅极同时发送信号，但是不会向两个配对同时发送导通信号。这是因为电容器电压被短接了。
在图7的最上面的曲线中示出了交流电源电压与选通脉冲信号之间的关系。在此，按照保持基本波的周期而只是缩短导通时间的方式进行占空比控制。
在此情况下，过电流使得磁(缓冲)能出乎意料地大，并且电容器也一时地出现过电压，不过，该期间只是延迟几十毫秒之后电流限制功能发挥效果之前的短时间。这样，通过结合了瞬时电压限制功能(放电)和消除过电压起因的过电流抑制功能的保护电路，即使在发生事故时也不切断停止开关而传送受到限制的电力是很重要的。
实施例的仿真
图8示出了用于仿真的电路，图9示出了仿真的分析结果。电路常数如下所示：
1.半导体开关S1、S2、S3、S4(功率MOSFET，忽略损耗)
2.交流电源50Hz，AC 100V
3.负载电感L 31.85mH
4.负载电阻R 10Ω
5.异常时的负载电阻R’2Ω
6.持续时间0.1s
7.电容器150μF，过电压保护水平(阈值)400V
对时间0.5秒后负载电阻值急剧变化，从而电流急剧增大的情况进行模拟。作为电流增大的结果，电容器成为过电压，放电电路工作，电压在400V处截止。通过电流检测部7检测过电流，减小导通信号的脉冲宽度，由此在0.1秒之后电流减小，结果是消除了过电压。
另外，可以对电流瞬时值进行监视，当电流超过预定值时，断开所有的选通，由此使电流的上升转变为下降。图10通过仿真示出了断开所有选通的效果。当负载是阻性时，效果显著。在图8的电路中，示出了在时间0.06秒后负载(L＝10mH、R＝10Ω、R′＝10Ω)的电阻成分从10Ω减半为5Ω时，开关电流上升，但将监视水平设为20A，在电流20A处(S1、S3)和(S2、S4)的选通全部被断开的情况下的结果。结果是，电流的上升在20A处停止，从而保护了开关。
此外，当电桥的对置的开关对中一方的选通信号被停止时，电容器电流停止，电容器放电停止，并且，电容器的电压下降停止。特别是当负载是感性的时，电流的上升也停止，结果，可以实现电流限制。当负载是感性的时，可以用作超前电流发生中止(静止型无功补偿装置，StaticVAR Compensator)而控制超前电流。图11示出了针对电流瞬时值超过预定值时，停止S1和S4的选通的控制的计算机仿真结果。在与图8同样的电路中，在感性负载(L＝30mH、R＝10Ω、R′＝0.5Ω)的情况下，通过例如在15A处断开一方的选通，由此能够进行电流限制。这是针对负载的功率因数低的情况或者线圈中流过电流而得到超前电流的情况进行的控制。通过在15A处断开选通S1和S4来实现电流控制。
放电电阻61必须能够在输入能量变得非常大时耐受温度升高。然而，在本实施例中，仅在电容器电压超过所设定的电压的时间内流过放电电流。当放电电阻61过载时，作为最终的保护还有两种方法。
一个方法是如上所述断开MERS的所有开关的选通来切断所有电流，另一个方法是使MERS短接。此时，电容器电压按照选通频率的两倍周期降低为零或接近于零的电压。针对电压接近零的时刻，选通信号改变开关对(S1与S2、S3与S4的开关对)而对半导体开关的相对的开关对同时进行接通/断开，这样，交流电流成为旁路状态，并且在切换时可以不短接电容器的电荷。
利用单相电路说明了本实施例，然而，当然也可以通过使用三组MERS而应用于三相交流电。在此情况下，可以产生消除由星形/三角变换产生的电流三次谐波等的效果。此外，也可以应对三相不平衡事故。
该保护电路的控制单元具有对来自外部的控制信号的合理性进行判断的能力。首先，具有开关固有的ID号，这可作为与外部通信时的密钥。该功能使得例如在通过互联网等的通信无线地发送信号时，成为可无线控制的开关，可以无需有线连接而传输控制信号。
该保护电路的控制单元不仅取得电流、电压、相位、功率因数，而且具有根据电压和电流求取阻抗而发现负载健全性的异常的功能。此外，可以通过运算求得负载的工作状况，与此相应地控制半导体开关。
该保护电路的控制单元记录该半导体开关过去的工作状况，并且可以对总工作时间、功率、消耗电力等统计信息进行汇总，与此相应地向外部通信。
该保护电路对于所有MERS(即使是容量和目的不同的负载)具有共同的功能，该保护电路是必需的，可以与主电路分开地制造，通过该保护电路的大规模生产的效果而降低成本，因此可以标准化而成为尽量易于安装的结构。
该保护电路的控制单元具有程序化的计算功能，因此可以通过外部通信功能下载和上传其内容。也可以在该程序中反映负载的特性和工作计划。
该保护电路的控制单元具有控制计算功能和储存功能，因此，在将其应用于例如照明灯的情况下，可以检测地面的照度而进行控制，或者在荧光灯那样发光效率随着外部温度而变化的情况下，可以以此为函数进行控制。
Claims (7)
1.一种具有保护电路的磁能再生开关，其***在交流电源和负载之间，具有用于接通/断开交流电流并改变所述交流电流的相位的可变电抗功能，该保护电路用于对该磁能再生开关进行过电压或过电流保护，所述磁能再生开关具有：
桥电路，其由四个逆导型半导体开关构成；
电容器，其连接在该桥电路的直流端子之间，再生并储存电流切断时的磁能；以及
控制单元，
其中，所述保护电路具有：
电压检测部，其与所述电容器并联连接，检测所述电容器的电压；以及
放电电路，其与所述电容器并联连接，并具有串联连接的放电电阻和放电开关，
其中所述控制单元控制选通控制信号的相位，以与交流电源的电压同步地同时对所述逆导型半导体开关的桥电路的相对的开关对进行接通/断开控制，并且当所述电压检测部的输出超过预定值时控制所述放电开关的选通，以使所述放电开关短接，通过所述放电电阻对所述电容器的电荷进行放电。
2.根据权利要求1所述的具有保护电路的磁能再生开关，其中，
所述保护电路还具有***在所述交流电源和所述负载之间的电流检测部，该电流检测部检测流过所述负载的电流；并且
当所述电流检测部的输出超过预定值时，所述控制单元通过使所述控制信号的脉冲的接通/断开占空比小于0.5来进行限流控制。
3.根据权利要求1或2所述的具有保护电路的磁能再生开关，其中，当所述电压检测部的输出超过所述预定值的时间长度超过预定长度时，所述控制单元控制选通以断开所有所述四个逆导型半导体开关，从而切断电流。
4.根据权利要求1或2所述的具有保护电路的磁能再生开关，其中，当所述电压检测部的输出超过所述预定值的时间长度超过预定长度时，所述控制单元控制选通，使得当所述电容器电压为零时，接通所有所述四个逆导型半导体开关，成为电流双向导通状态。
5.根据权利要求1所述的具有保护电路的磁能再生开关，其中，
所述保护电路还具有***在所述交流电源和所述负载之间的电流检测部，该电流检测部检测流过所述负载的电流，并且
当所述电流检测部的输出超过预定值时，所述控制单元控制选通以断开所有所述四个逆导型半导体开关，从而切断电流。
6.根据权利要求1所述的具有保护电路的磁能再生开关，其中
所述保护电路还具有***在所述交流电源和所述负载之间的电流检测部，该电流检测部检测流过所述负载的电流，并且
其中，当所述电流检测部的输出超过预定值时，所述控制单元控制选通，以仅断开所述桥电路的相对的开关对中接通的开关对中的一个逆导型半导体开关，从而切断电流。
7.一种交流电源装置，该交流电源装置用于向负载提供交流电流，并且对电流切断时的磁能进行再生而用作为对所述负载的供给电流，其中，该交流电源装置在产生所述交流电流的交流电源与所述负载之间串联地连接有根据权利要求1至6中任意一项所述的具有保护电路的磁能再生开关。
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