CN107925252A - 用于配电设施的电子充电器及其控制方法 - Google Patents

用于配电设施的电子充电器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于配电设施的电子充电器(1)，包括：‑能够与电源(50)电连接的输入端子(21，22)；‑能够与待充电的电负载(60)电连接的输出端子(23，24)；‑SEPIC型DC/DC转换器(2)，包括：‑输入级(2A)，与所述输入端子电连接并且包括被配置为存储由所述电源提供的电能的输入电感器(11)以及被配置为控制所述输入电感器的工作以使得所述输入电感器在所述开关器件处于接通状态时充电并且在所述开关器件处于断开状态时放电的开关器件(Q1)；‑输出级(2B)，与所述输出端子电连接并且包括与所述输入电感器磁耦合的输出电感器(12)、被配置为在所述开关器件处于断开状态时存储由电感器(11、12)提供的电能的输出电容器(15)、以及被配置为在所述开关器件处于断开状态时防止放电电流从所述输出电容器流向所述输出电感器的阻塞器件(16)；‑耦合电容器(14)，被配置为通过电容耦合来电耦合所述输入级和所述输出级；‑第一传感器(31)，被配置为在所述开关器件处于接通状态时提供指示流过所述输入电感器以对所述输入电感器充电的充电电流(IL1)的第一感测信号(S1)；‑第一控制器(35)，被配置为接收所述第一感测信号(S1)、接收参考信号(SR)、并且提供用于控制所述开关器件(Q1)的驱动信号(DS)，所述第一控制器被配置为在预定义的接通时刻(tON)使所述开关器件变为接通状态并且在断开时刻(tOFF)使所述开关器件变为断开状态，这些时刻由所述控制器基于由所述第一感测信号(S1)和所述参考信号(SR)提供的信息来确定。

Description

用于配电设施的电子充电器及其控制方法
本发明涉及用于在中压电平工作的配电设施的电子充电器。
为了本发明的目的，术语中压(MV)指的是高于1kV交流(AC)和1.5kV直流(DC)以至几十kV(例如，高达72kV AC和100kV DC)的工作电压。
在MV电平工作的配电设施可以包括例如MV配电板、MV供电***、MV开关装置(例如，断路器、接触器、隔离开关、自动开关(recloser)等)等。
众所周知，在上述类型的许多设施中，电容器组或电池适于存储大量的电能(典型地，几千焦耳)。
对于包括电磁致动器的MV开关装置尤其如此。
在这些设备中，供电级通常不被设计为直接从可用的电源获取运行致动器所需的电力。
这样的选择实际上会在尺寸、工业成本及构件组装这些方面带来相关的缺点，因为致动器在工作期间可能需要电力高峰。
由于该原因，MV开关装置的供电级通常包括一个或多个电容器组，该一个或多个电容器组适于存储电能以便即使在工作需要相对高的电力峰时也能适当地给致动器供电。
在以MV电平工作的配电设施中，典型地设置电子充电器从而通过从可用的电源(例如，MV电线)中汲取电力来对这样的巨大的电容性负载充电。
一般地，传统的电子充电器包括反激式或升压式DC/DC开关转换器。
不幸的是，经验已经表明，对这样的巨大的电容性负载充电是难以管理的过程。
采用线性充电技术并不合适，因为电子充电器应当被设计为提供比电容器组所需的最终充电电压高的DC电压。这将在电力消耗方面带来相关的缺点。
另一方面，由于它们巨大的尺寸，在充电过程开始时，这些电容性负载在电气上表现为短路，而在充电过程几乎完成并且差不多达到最终的充电电压时表现为开路。
因而，理想地，在充电过程的最初几个步骤应当采用电流控制技术，而当电容器组两端的电压较接近于所期望的最终充电电压时，应当采用电压控制技术。
传统的电子充电器还不能提供这种性能。
此外，它们还显示出了一些别的缺点。
包括DC/DC反激式转换器的电子充电器典型地显示出了高的电力消耗，因为在转换器开关处于断开(OFF)状态(截停或截止状态)时由于转换变压器的漏电感而存在泄漏电流。
另外，这种电子充电器一般地在输出电压调节方面表现不佳，因为转换变压器的绕组比基本上确定了该转换器是升压式的还是降压式的。
此外，当转换器开关切换到断开状态时，这些电子充电器还会在转换器开关上显示出高反射电压。这样的反射电压可能会导致转换器开关上的应力故障。
包括DC/DC升压转换器的电子充电器典型地在输入级显示出大的电流纹波。这些现象可能会带来高的电磁辐射并且使电子构件的使用寿命缩短。通常需要布置昂贵的电路配置来解决这些问题。
本发明的主要目的是提供用于在MV电平工作的配电设施的电子充电器，该电子充电器使现有技术的缺点得以克服。
在此目的下，本发明的一个目标是提供一种电子充电器，该电子充电器能够有效地管理大尺寸电容性负载(例如，开关装置的电容器组)的充电过程。
本发明的另一个目标是提供一种电子充电器，该电子充电器相对于当前可用的电子充电器可显示出低的电力消耗。
本发明的另一个目标是提供一种电子充电器，该电子充电器在输出电压调节方面可显示出高的性能。
本发明的另一个目标是提供一种电子充电器，该电子充电器在工业层面来看制造起来相对简单且便宜。
上述目的和目标以及在以下说明书及附图中将会清晰展现出的其它目标，根据本发明通过根据以下的权利要求1及相关的从属权利要求所述的电子充电器来提供。
在另一个方面，本发明提供根据以下的权利要求9所述的在MV电平工作的配电设施。
在另一个方面，本发明提供根据以下的权利要求10所述的MV开关装置。
在又一个方面，本发明提供根据以下的权利要求11及相关的从属权利要求所述的控制方法。
本发明的其它特性和优点在关于附图中仅作为非限制性示例示出的优选实施例的详细描述中将会变得更加明显，在附图中：
-图1-2是示意性地示出根据本发明的电子充电器的实施例的框图；
-图3-5是示意性地示出根据本发明的电子充电器的操作的框图；
-图6是示意性地示出用于操作根据本发明的电子充电器的控制方法的框图。
参考所引用的附图，本发明涉及用于在MV电平工作的配电设施的电子充电器1。
电子充电器1特别适合于对巨大的电容性负载(例如，MV开关装置的电容器组，其中MV开关装置诸如MV断路器、接触器、隔离开关、自动开关等)充电。
但是，电子充电器1可以被用来对在MV电平工作的其它配电设施内(诸如MV配电板、MV供电***等内)的电容性负载充电。
电子充电器1包括可以与电源50电连接的输入端子21-22。
例如，电源50可以是被布置为从配电线路中汲取电力的已知类型的辅助供电单元。
一个或多个已知类型的电路和/或电子电路可以被适当地布置为将电源50电耦接至电子充电器1的输入端子21-22。
例如，包括一个或多个二极管桥和/或滤波电路的接口电路51可以被布置为给电子充电器1提供DC电压。
电子充电器1包括可以与待充电的电负载60电连接的输出端子23-24。
优选地，负载60是可以被配置为存储相对高水平的电能(例如，数千焦耳)的电容性负载。
例如，电容性负载60可以由MV开关装置的电容器组形成。
一个或多个已知类型的电路和/或电子电路可以被适当地布置为电耦接输出端子23-24和电容性负载60。
例如，包括一个或多个二极管的阻塞电路61可以被适当地布置为(在给定的工作条件下)防止放电电流从电容性负载60流向电子充电器1。
电子充电器1的输入端子包括在给定的电压处的第一输入端子21以及优选地接地的第二输入端子22。
同样地，电子充电器1的输出端子包括在给定的电压处的第一输出端子23，以及优选地接地的第二输出端子24。
电子充电器1在输入端子21-22处接收DC输入电压VIN，并且它在输出端子23-24处提供DC输出电压VOUT。
电子充电器1包括SEPIC(单端初级电感转换器)型DC/DC开关转换器2。
转换器2包括与输入端子21-22电连接的输入级2A。
输入级2A包括适于存储由电源50提供的电能的输入电感器11。
此外，输入级2A包括开关器件Q1，开关器件Q1被配置为控制输入电感器11的充电过程，使得当开关器件Q1处于接通(ON)状态(导通状态)时，输入电感器11被充电，并且当开关器件Q1处于断开状态(截停或截止状态)时，输入电感器11被放电。
优选地，输入级2A还包括输入电容器17。
转换器2包括与输出端子23-24电连接的输出级2B，并且包括与输入电感器11磁耦合的输出电感器12。
优选地，输入和输出电感器11、12分别由缠绕于同一磁芯元件上的第一和第二绕组形成。
输出级2B还包括被配置为存储待馈送给电容性负载60的电能的输出电容器15。
优选地，输出电容器15适应于在开关器件Q1处于断开状态时接收来自输入和输出电感器11-12的电能，并且在开关器件Q1处于接通状态时给电容性负载60提供电能。
输出级2B还包括阻塞器件16，该阻塞器件16被配置为防止在开关器件Q1处于断开状态时放电电流从输出电容器15流向输入和/或输出电感器11、12。
转换器2还包括耦合电容器14，该耦合电容器14被配置为通过电容耦合来电耦合输入级2A和输出级2B。
在本发明的一种优选的实施例中，输入级2A具有图2所示的配置。
输入电感器11与第一输入端子21串联电连接。特别地，输入电感器11具有与第一输入端子21电连接的第一端子，以及与耦合电容器14的第一端子电连接的第二端子。
开关器件Q1与输入端子21-22并联电连接。
特别地，开关器件Q1具有与输入电感器11的第二端子及耦合电容器14的第一端子电连接的第一端子，以及与第二输入端子22电连接的第二端子。
开关器件Q1还具有适于接收用于控制其操作的驱动信号DS的控制端子。
优选地，开关器件Q1是n型功率MOSFET，该n型功率MOSFET具有与输入电感器11的第二端子及耦合电容器14的第一端子电连接的漏极端子，以及与第二输入端子22电连接的源极端子。MOSFET Q1的栅极端子形成适于接收驱动信号DS的控制端子。
优选地，输入电容器17具有与输入端子21-22并联电连接的端子。
在本发明的一种优选的实施例中，输出级2B具有图2所示的配置。
阻塞器件16优选为阻塞二极管(优选为肖特基型)，该阻塞二极管具有与耦合电容器14的第二端子电连接的第一端子(阳极端子)，以及与第一输出端子23电连接的第二端子(阴极端子)。
输出电感器12具有与阻塞二极管16的第一端子及耦合电容器14的第二端子电连接的第一端子，以及与第二输出端子24电连接的第二端子。
输出电容器15具有与输出端子23-24并联电连接的端子。
耦合电容器14具有与输入电感器11的第二端子及开关器件Q1的第一端子电连接的第一端子，以及与输出电感器12的第一端子及阻塞二极管16的第一端子电连接的第二端子。
转换器2的操作简要地参考图3-4来描述。
当开关器件Q1处于接通状态时，转换器2显示出了图3的等效电路配置。
电感器11、12二者均与输出电容器15电解耦。
输入电感器11由电源50所提供的电能来充电。
在电源50提供输入电压VIN时，充电电流IL1流过输入电感器11。由于输入电压VIN是DC电压，电流IL1以基本为线性的趋势逐渐增加(图5)。
输出电感器12由耦合电容器14所存储的电能来充电。
输出电容器15给导电负载60提供电能，并且输出电压VOUT逐渐降低(图5)。
当开关器件Q1处于断开状态时，转换器2显示出图4的等效电路配置。
现在，电感器11、12二者均电耦接至输出电容器15。
输入电感器11给耦合电容器C1和输出电容器COUT提供电能。
此外，输出电感器12也给输出电容器COUT提供电能。
输出电容器COUT接收由电感器11、12提供的电流所产生的充电电流IC。
输出电容器15被充电，并且输出电压VOUT逐渐增加。
根据本发明，电子充电器1包括被配置为提供指示充电电流IL1的第一感测信号S1的第一传感器31，其中在开关器件Q1处于接通状态时，充电电流IL1流过输入电感器11以对其充电。
第一传感器31可以是已知类型的，例如，分流电阻器。
优选地，电子充电器1包括被配置为提供指示输出端子23-24处的输出电压VOUT的第二感测信号S2的第二传感器32。第二传感器32可以是已知类型的，例如，电阻分压器。
优选地，电子充电器1包括被配置为提供指示输入端子21-22处的输入电压VIN的第三感测信号S3的第三传感器33。第三传感器33可以是已知类型的，例如，电阻分压器。
优选地，电子充电器1包括被配置为提供指示电子充电器1的工作温度的第四感测信号S4的第四传感器34。温度传感器34可以是已知类型的，例如，热电偶。
根据本发明，电子充电器1包括第一控制器35。
第一控制器35可以包括数字处理器件(诸如微处理器)，该数字处理器件能够为了例如信号处理目的和/或控制目的而存储并执行合适的软件指令。
第一控制器35可操作耦接至第一传感器31和开关器件Q1。
因而，第一控制器35适于接收第一感测信号S1。
第一控制器35还适于接收参考信号SR，该参考信号SR指示充电电流IL1的参考值。
第一控制器35被配置为提供驱动信号DS，用于基于由感测信号S1和参考信号SR提供的信息来控制开关器件Q1的操作。
驱动信号DS(优选为脉冲型的)被配置为使得开关器件Q1在给定的接通时刻tON从断开状态变为接通状态，并且在给定的断开时刻tOFF从接通状态变为断开状态。
根据本发明，驱动信号DS被配置为使得开关器件Q1在预定义的接通时刻tON变为接通状态，并且在断开时刻tOFF变为断开状态，这些时刻通过处理由第一感测信号S1和参考信号SR提供的信息来确定。
换言之，根据本发明，控制器35被配置为在预定义的接通时刻(tON)使开关器件Q1变为接通状态，并且在断开时刻(tOFF)使开关器件变为断开状态，这些时刻基于由第一感测信号S1和参考信号SR提供的信息来确定。
接通时刻tON可以由控制器31基于预定义的设定来确定。
优选地，接通时刻tON是具有预定义频率F＝1/T的时刻，其中T是随后的两个接通时刻之间的预定义时间段。
为了确定断开时刻tOFF，控制器35可以采用不同的控制逻辑。
优选地，控制器35通过将由感测信号S1提供的充电电流IL1的值与由参考信号SR提供的参考值IREF比较来确定断开时刻tOFF。
优选地，控制器35将断开时刻tOFF确定为在输入电感器11的充电过程中(即当开关器件Q1变为接通状态时)所感测的充电电流IL1等于或超过参考值IREF(图5)的时刻。
一般地，第一控制器35和第一传感器31形成第一控制环301，用于通过在所选择的断开时刻断开开关器件Q1来控制输入电感器11的充电/放电过程，其中断开时刻基于流过输入电感器11的充电电流IL1而确定。
如图5所示，第一控制环301优选地采用PWM调制技术，以提供用于控制开关器件Q1的开关的驱动信号DS。
根据本发明的一种优选实施例，电子充电器1包括第二控制器36。
第二控制器36可以包括数字处理器件(诸如微处理器)，该数字处理器件能够为了例如信号处理目的或控制目的而存储并执行合适的软件指令。
第二控制器36有利地被配置为给第一控制器35提供参考信号SR。
特别地，第二控制器36被配置为接收第二感测信号S2并处理由第二感测信号S2提供的信息，以提供参考信号SR。
第二控制器36和第二传感器32形成第二控制环302，该第二控制环302与由第一控制器35和第一传感器31形成的第一控制环协作，用于控制在输出端子23-24处提供的输出电压VOUT。
特别地，第二控制环302被配置为根据输出电压VOUT来设置参考信号SR。
以此方式，由第一控制环301适当地控制输入电感器11的充电/放电过程，以获得输出电压VOUT的给定电压电平V0(由对电感器11中的充电电流IL1的PWM调制得出的电压纹波的一部分)。
优选地，第二控制环302可以被配置为基于电子充电器1内的不同物理量来设置参考信号SR。
优选地，第二控制环302包括第三传感器33，并且第二控制器36被配置为接收由第三传感器33提供的第三感测信号S3，并处理由第三感测信号S3提供的信息以提供参考信号SR。
以此方式，使得参考信号SR(由第二控制环302设置)还随着输入电压VIN而变化。
因而，电子充电器1可以用于范围更广的输入电压VIN，由此在使用的灵活性方面提供卓越的性能，因为第一和第二控制环301、302的响应可以根据输入电压VIN而变化。
优选地，第二控制环302包括第四传感器34，并且第二控制器36被配置为接收由第四传感器34提供的第四感测信号S4，并处理由第四感测信号S4提供的信息以提供参考信号SR。
以此方式，使得参考信号SR(由第二控制环302设置)还随着电子充电器1的工作温度而变化。
这可以在减少电子构件上的热应力的方面带来相关优势。
在另一个方面，本发明涉及对于如上所述构造的电子充电器1的控制方法100。
控制方法100包括由第一控制环301执行的第一控制程序101。控制程序101包括：
-从第一传感器31获取第一感测信号S1的步骤102；
-获取参考信号SR的步骤103；
-提供用于控制开关器件Q1的驱动信号DS的步骤104。
驱动信号DS被配置为使得开关器件Q1在预定义的接通时刻(tON)变为接通状态，并且在断开时刻(tOFF)变为断开状态，这些时刻通过处理由感测信号S1和参考信号SR提供的信息来确定。
优选地，接通时刻(tON)具有预定义的频率。
优选地，控制程序101包括通过将由感测信号S1提供的充电电流IL1的值与由参考信号SR提供的参考值IREF进行比较来确定断开时刻tOFF的步骤105。
优选地，断开时刻tOFF被确定为在输入电感器11的充电过程中(即当开关器件Q1为接通状态时)所感测的充电电流IL1超过参考值IREF的时刻。
优选地，控制方法100包括第二控制程序202，其中在由第一控制环301执行第一控制程序的同时由第二控制环302执行该第二控制程序202。控制程序202包括：
-从第二传感器32获取第二感测信号S2的步骤112；
-处理由所述第二感测信号S2提供的信息以提供参考信号SR的步骤113。
优选地，控制程序202包括：
-从第三传感器33中获取第三感测信号S3的步骤114；
-处理由感测信号S3提供的信息以提供参考信号SR的步骤115。
优选地，控制程序202包括：
-从第四传感器34中获取第四感测信号S4的步骤116；
-处理由感测信号S3提供的信息以提供参考信号SR的步骤117。
优选地，第一和第二控制器35、36包括数字处理器件(诸如微处理器)，该数字处理器件能够存储并执行合适的软件指令，例如用于执行以上所述的控制方法100的步骤。
本发明的电子充电器1提供了相关的优势。
采用具有SEPIC型配置的DC/DC开关转换器可允许减少消耗损失。
采用耦合的输入和输出电感器11、12可允许减少总的电源占用面积(footprint)并降低耦合电容器14上的电应力。
第一和第二控制环301、302可允许有效地管理电容性负载60的充电过程。
在充电过程的早期阶段，当电容性负载60表现为短路时，第一和第二控制环301、302提供有效的电流控制，由此限制流过电感器11、12的电流峰。
当充电过程几乎完成并且当电容性负载60变现为开路时，提供平滑的输出电压调节。
电子充电器1的特征在于使用的灵活性方面的高性能。
电子充电器1可以在工业层面以有竞争力的成本容易地制造。

Claims (15)

1.一种用于配电设施的电子充电器(1)，包括：
-能够与电源(50)电连接的输入端子(21，22)；
-能够与待充电的电负载(60)电连接的输出端子(23，24)；
-SEPIC型DC/DC转换器(2)，包括：
-输入级(2A)，与所述输入端子电连接并且包括被配置为存储由所述电源提供的电能的输入电感器(11)以及被配置为控制所述输入电感器的充电过程的开关器件(Q1)；
-输出级(2B)，与所述输出端子电连接并且包括与所述输入电感器磁耦合的输出电感器(12)、被配置为存储待馈送给电容性负载的电能的输出电容器(15)、以及被配置为防止放电电流从所述输出电容器流向所述输入电感器和输出电感器的阻塞器件(16)；
-耦合电容器(14)，被配置为通过电容耦合来电耦合所述输入级和所述输出级；
-第一传感器(31)，被配置为提供指示在所述开关器件处于接通状态时流过所述输入电感器的充电电流(IL1)的第一感测信号(S1)；
-第一控制器(35)，被配置为获取所述第一感测信号(S1)以及指示所述充电电流(IL1)的参考值的参考信号(SR)，并且被配置为提供用于控制所述开关器件(Q1)的驱动信号(DS)，所述第一控制器被配置为在预定义的接通时刻(tON)使所述开关器件变为接通状态并且在断开时刻(tOFF)使所述开关器件变为断开状态，这些时刻由所述控制器通过处理由所述第一感测信号(S1)和所述参考信号(SR)提供的信息来确定。
2.根据权利要求1所述的电子充电器，其特征在于所述接通时刻(tON)具有预定义的频率。
3.根据前述权利要求中的一项或多项所述的电子充电器，其特征在于其包括被配置为给所述第一控制器(35)提供所述参考信号(SR)的第二控制器(36)。
4.根据权利要求3所述的电子充电器，其特征在于其包括被配置为提供指示所述输出端子(23，24)处的输出电压(VOUT)的第二感测信号(S2)的第二传感器(32)，所述第二控制器被配置为获取所述第二感测信号(S2)并且处理由所述第二感测信号(S2)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
5.根据权利要求4所述的电子充电器，其特征在于其包括被配置为提供指示所述输入端子(21，22)处的输入电压(VIN)的第三感测信号(S3)的第三传感器(33)，所述第二控制器被配置为获取所述第三感测信号(S3)并且处理由所述第三感测信号(S3)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
6.根据权利要求4或5所述的电子充电器，其特征在于其包括被配置为提供指示所述电子充电器的工作温度的第四感测信号(S4)的第四传感器(34)，所述第二控制器被配置为获取所述第四感测信号(S4)并且处理由所述第四感测信号(S4)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的电子充电器(1)，其特征在于：
-所述输入电感器(11)具有与第一输入端子(21)电连接的第一端子，以及与所述耦合电容器(14)的第一端子电连接的第二端子；
-所述开关器件(Q1)具有与所述输入电感器(11)的第二端子和所述耦合电容器(14)的第一端子电连接的第一端子，以及与第二输入端子(22)电连接的第二端子。
8.根据权利要求7所述的电子充电器(1)，其特征在于：
-所述阻塞器件(16)是具有与耦合电容器(14)的第二端子电连接的第一端子以及与第一输出端子(23)电连接的第二端子的阻塞二极管；
-所述输出电感器(12)具有与所述阻塞二极管(16)的第一端子和所述耦合电容器(14)的第二端子电连接的第一端子，以及与第二输出端子(24)电连接的第二端子；
-所述输出电容器(15)具有与所述第一输出端子(23)电连接的第一端子，以及与所述第二输出端子(24)电连接的第二端子。
9.一种配电设施，其特征在于其包括根据前述权利要求中的一项或多项所述的电子充电器(1)。
10.一种开关装置，其特征在于其包括根据权利要求1至8中的一项或多项所述的电子充电器(1)。
11.一种用于根据权利要求1至8中的一项或多项所述的电子充电器(1)的控制方法，其特征在于其包括下列步骤：
-获取指示充电电流(IL1)的第一感测信号(S1)，在所述开关器件处于接通状态时所述充电电流(IL1)流过所述输入电感器(11)以对所述输入电感器充电；
-获取指示所述充电电流(IL1)的参考值的参考信号(SR)；
-提供用于控制所述开关器件(Q1)的驱动信号(DS)，所述驱动信号被配置为使得所述开关器件在预定义的接通时刻(tON)变为接通状态并且在断开时刻(tOFF)变为断开状态，这些时刻通过处理由所述第一感测信号(S1)和所述参考信号(SR)提供的信息来确定。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于所述接通时刻(tON)具有预定义的频率。
13.根据权利要求11至12中的一项或多项所述的控制方法，其特征在于其包括下列步骤：
-获取指示所述输出端子(21，22)处的输出电压(VOUT)的第二感测信号(S2)；
-处理由所述第二感测信号(S2)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于其包括下列步骤：
-获取指示所述输入端子(21，22)处的输入电压(VIN)
的第三感测信号(S3)；
-处理由所述第三感测信号(S3)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
15.根据权利要求13或14所述的控制方法，其特征在于其包括下列步骤：
-获取指示所述电子充电器的工作温度的第四感测信号(S4)；
-处理由所述第四感测信号(S4)提供的信息以提供所述参考信号(SR)。
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