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自供電的柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):7289411閱讀:260來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:自供電的柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及功率控制系統(tǒng)領(lǐng)域,尤其涉及在休止期間在自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中維持電荷的技術(shù)。
背景技術(shù)
一般而言電機(jī)控制器,更籠統(tǒng)而言電控制器,通過(guò)限制從電源到達(dá)電機(jī)或其它負(fù)載的功率來(lái)工作。一些電機(jī)控制器通過(guò)間歇地在電源與電機(jī)之間傳導(dǎo)電流來(lái)限制傳遞給電機(jī)的功率。這些電機(jī)控制器通常耦合到正弦交流電源,并在正弦的每個(gè)周期的一部分里傳導(dǎo)電流。相應(yīng)地,為限制傳遞給電機(jī)的功率,電機(jī)控制器在每個(gè)周期的一部分里可不進(jìn)行傳導(dǎo)。通常,電機(jī)控制器在其間不傳導(dǎo)電流的持續(xù)時(shí)間是可調(diào)的。因此,通過(guò)調(diào)整此不傳導(dǎo)時(shí)段的持續(xù)時(shí)間,電機(jī)或其它某個(gè)負(fù)載的操作即可被控制。
一些電機(jī)控制器通過(guò)一對(duì)可控硅整流器(SCR)傳導(dǎo)電流,來(lái)選擇性地發(fā)送功率。如本領(lǐng)域中所公知的,SCR是一種包括由柵信號(hào)控制的整流器的固態(tài)開(kāi)關(guān)。因此,當(dāng)由柵信號(hào)開(kāi)啟時(shí),SCR允許電流從其陽(yáng)極流向其陰極,但不允許反方向的流動(dòng)。一旦被開(kāi)啟,SCR通常保持開(kāi)啟狀態(tài)直至柵信號(hào)被消除,并且電流下降到近乎為零。在關(guān)斷狀態(tài),SCR通常在任一方向上都不傳導(dǎo)電流。
通過(guò)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候施加?xùn)判盘?hào),電機(jī)控制器就可調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的功率。通常,電機(jī)控制器將使用以反向平行關(guān)系連接在電源與負(fù)載之間的一對(duì)SCR(對(duì)于每個(gè)功率相位)。因此,在調(diào)節(jié)交流電源時(shí),一個(gè)SCR在電壓/電流周期的正部分期間將被正向偏置,而另一個(gè)SCR在電壓/電流周期的負(fù)部分期間將被正向偏置。電機(jī)控制器可通過(guò)對(duì)任一正向偏置SCR施加?xùn)判盘?hào)來(lái)在電源與負(fù)載之間傳導(dǎo)電流。類似地,電機(jī)控制器可通過(guò)不開(kāi)啟正向偏置SCR、或可通過(guò)在SCR變?yōu)檎蚱煤蟮哪硞€(gè)時(shí)間開(kāi)啟該正向偏置SCR來(lái)阻止電流流動(dòng)。因此,周期里SCR既被關(guān)斷又被正向偏置的時(shí)間越長(zhǎng),電流可在電源與電機(jī)之間通過(guò)的時(shí)間就越短,因?yàn)榉聪蚱肧CR將不傳導(dǎo)電流。因此,通過(guò)延長(zhǎng)或縮短每個(gè)周期里SCR變?yōu)榍跋蚱玫臅r(shí)刻與其被開(kāi)啟的時(shí)刻之間的時(shí)間就可控制負(fù)載的操作。
通常,電機(jī)控制器包括用于開(kāi)啟諸SCR的電路。電機(jī)控制器可包括用于向SCR的柵電極傳遞小電流的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可定時(shí)到柵電極的電流脈沖,以調(diào)節(jié)傳遞給電機(jī)的功率。為了傳遞更多的功率,驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)啟SCR之前、該SCR變?yōu)檎蚱煤髮⒀舆t較短的時(shí)間。類似地,為了減少傳遞給電機(jī)的功率,驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)啟SCR并允許電流通過(guò)之前、該SCR變?yōu)檎蚱弥髮⒀舆t較長(zhǎng)的時(shí)間。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都包括用于確定何時(shí)開(kāi)啟SCR的電路。通常,電機(jī)控制器對(duì)每個(gè)SCR都使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。因此,調(diào)節(jié)交流功率的單個(gè)相位的電機(jī)控制器通常使用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器,而三相控制器包括六個(gè)驅(qū)動(dòng)器。
為這些驅(qū)動(dòng)器的操作供電帶來(lái)了難題。這些驅(qū)動(dòng)器常常連接到曝露在高壓下的SCR。例如,SCR常常連接到在2300伏或以上工作的電源。由此,保持驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的其它部件電絕緣可能是很重要的。一些系統(tǒng)對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用單個(gè)電源。但是,每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的專用電源可能會(huì)增加系統(tǒng)成本、系統(tǒng)大小、以及故障組件的數(shù)目。此外,電機(jī)控制器常常使用大量驅(qū)動(dòng)器。例如,如上所述,調(diào)節(jié)來(lái)自三相交流電源的功率的電機(jī)控制器可使用六個(gè)驅(qū)動(dòng)器,對(duì)每個(gè)相位兩個(gè)SCR各一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。類似地,為調(diào)節(jié)來(lái)自更高電壓電源的功率,電機(jī)控制器可對(duì)每個(gè)相位使用兩對(duì)或多對(duì)SCR。因此,每個(gè)相位三對(duì)SCR的三相系統(tǒng)可使用18個(gè)SCR和18個(gè)驅(qū)動(dòng)器。
因此,隨著開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目增長(zhǎng),用專用電源向每個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電變得越來(lái)越無(wú)法令人滿意。
設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)向自供電的柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)(SPGDS)來(lái)避免這些問(wèn)題,并獲得了一些成功。通常,SPGDS從驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源捕捉能量(即,線路功率)。在SPGDS內(nèi),經(jīng)常一連串電容器連接到給這些電容器充電的自供電電路。SPGDS可利用諸SCR上的電壓差動(dòng)來(lái)抽吸電流和存儲(chǔ)電荷。然后電容器上的電荷可被用來(lái)向驅(qū)動(dòng)器供電。用來(lái)給電容器充電的電壓差動(dòng)通常在SCR工作期間產(chǎn)生。因?yàn)镾CR間歇地在電源與負(fù)載之間傳導(dǎo)電流,所以在諸SCR上可能會(huì)形成電壓差動(dòng)。優(yōu)越之處在于,自供電系統(tǒng)可避免與每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的專用電源相關(guān)聯(lián)的絕緣問(wèn)題。并且,與對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用專用電源的系統(tǒng)相比,自供電系統(tǒng)中針對(duì)向驅(qū)動(dòng)器供電的組件的成本可能較低。
但是,SPGDS還需要改進(jìn)。當(dāng)從某些操作模式轉(zhuǎn)換時(shí),電容器可能沒(méi)有足夠的電荷來(lái)向驅(qū)動(dòng)器供電。由此,因?yàn)殡娙菰跀?shù)個(gè)周期上充電,所以被重新激活的SPGDS在傳導(dǎo)電流之前可能會(huì)顯現(xiàn)出延遲。例如,在全速操作期間,一些系統(tǒng)繞過(guò)SCR而從電源直接向電機(jī)傳遞功率。在諸SCR上沒(méi)有電壓差動(dòng)的情況下,電容器將會(huì)放電,從而使得驅(qū)動(dòng)器處于沒(méi)有電源的狀態(tài)。因此,當(dāng)這一系統(tǒng)從全速操作轉(zhuǎn)換到SPGDS限制傳遞給電機(jī)的功率的模式時(shí),向驅(qū)動(dòng)器供電的電容器可能會(huì)缺乏足夠的電荷來(lái)重新啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。在電容器建立足以向驅(qū)動(dòng)器供電的電荷的時(shí)候,SCR可在數(shù)個(gè)周期里保持關(guān)斷狀態(tài)。類似地,在系統(tǒng)啟動(dòng)期間,由于諸SCR上沒(méi)有電勢(shì),所以電容可能已被放電。因此,在從這些休止期之一轉(zhuǎn)換期間,系統(tǒng)可能有數(shù)個(gè)周期沒(méi)有響應(yīng),因?yàn)殡娙菰谥匦鲁潆?。在此延遲期間,SCR可保持關(guān)斷狀態(tài),從而導(dǎo)致到達(dá)電機(jī)的功率的陡變。這些突變可能會(huì)導(dǎo)致電流和轉(zhuǎn)矩浪涌,從而造成系統(tǒng)內(nèi)各種組件的損耗。
本領(lǐng)域中需要一種在休止期間維持這些SPGDS的電荷的系統(tǒng)。特別需要在不產(chǎn)生與耦合到每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的個(gè)體電源相關(guān)聯(lián)的成本的情況下實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例,本發(fā)明提供一種用于將SPGDS保持在就緒狀態(tài)的預(yù)充電電路。該預(yù)充電電路通過(guò)變壓器耦合到控制電源以接收功率。變壓器在預(yù)充電電路里的電流回路中感生出交變電流。流過(guò)電流回路的交變電流在環(huán)繞該電流回路的眾多線圈中感生出電流。這些線圈通過(guò)絕緣層與電流回路電絕緣。線圈內(nèi)所感生出的電流被整流并傳遞給SPGDS中的能量存儲(chǔ)裝置。優(yōu)越之處在于,電流回路與諸線圈相互電絕緣,因此SPGDS可在比控制電源高得多的電壓下工作,而在這兩者之間不會(huì)有電流流動(dòng)。與此同時(shí),預(yù)充電電路向SPGDS傳遞涓流電荷,從而即使在SPGDS處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí)也能使SPGDS保持于就緒狀態(tài)。


在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明之后,本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將能更好地理解,在所有附圖中相同的標(biāo)記表示相似的部分,其中圖1是包括從預(yù)充電電路接收電荷的SPGDS的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)的圖示;圖2是圖1系統(tǒng)的更為詳細(xì)的圖示,其中預(yù)充電電路塊用預(yù)充電電路的電路圖替代;圖3是在上述附圖中所示類型的系統(tǒng)中使用的耦合到一對(duì)線圈的電流回路的剖面立體圖;圖4是根據(jù)本發(fā)明各方面的耦合到預(yù)充電電路的SPGDS的電路圖;
圖5是包括控制器和遠(yuǎn)程接口的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)的圖示;圖6是配置有三相交流電源的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)的圖示;以及圖7是使用與單相高壓電源串聯(lián)的層疊SPGDS的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)的圖示。
具體實(shí)施例方式
以下給出的實(shí)施例呈現(xiàn)了對(duì)SPGDS的改進(jìn)。如上所述,在常規(guī)的SPGDS中,當(dāng)從SPGDS處于休止的操作模式轉(zhuǎn)換時(shí),針對(duì)向驅(qū)動(dòng)器供電的電路、自供電電路和電容器可能響應(yīng)慢于預(yù)期。在休止期間,向驅(qū)動(dòng)器供電的電容器可能會(huì)放電,從而在SPGDS被激活后的前幾個(gè)周期期間電容器重新充電的時(shí)候造成驅(qū)動(dòng)器處于沒(méi)有電源的狀態(tài)。這種充電延遲在SPGDS以受控方式減緩全功率操作的負(fù)載的慢停操作期間證明是有問(wèn)題的。通常,全功率操作的負(fù)載繞過(guò)SPGDS直接從電源接收電流。當(dāng)SPGDS重新啟用時(shí),在向驅(qū)動(dòng)器供電的電容器重新充電的時(shí)候SCR可在數(shù)個(gè)周期里保持不傳導(dǎo)的狀態(tài)。一旦驅(qū)動(dòng)器從電容器接收到充足的功率,驅(qū)動(dòng)器就可開(kāi)始向SCR的柵電極傳遞脈沖信號(hào),以允許電流流動(dòng)。從全電流到無(wú)電流然后回到穩(wěn)定電流的突變可能會(huì)產(chǎn)生電流和轉(zhuǎn)矩浪涌,這會(huì)加劇受控設(shè)備上的損耗。根據(jù)本發(fā)明的一種用于消除這些轉(zhuǎn)換的影響而不會(huì)再次引入與每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的專用電源相關(guān)聯(lián)的成本和問(wèn)題的系統(tǒng)將可改進(jìn)SPGDS。
本技術(shù)的各個(gè)實(shí)施例可解決SPGDS的這些問(wèn)題,同時(shí)保留SPGDS優(yōu)于對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用專用電源的系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)。以下將描述數(shù)個(gè)這樣的實(shí)施例。為簡(jiǎn)化對(duì)本技術(shù)的解釋,圖1示出使用單個(gè)SPGDS的示例性實(shí)施例,該SPGDS針對(duì)調(diào)節(jié)從單相交流電源提供給諸如電動(dòng)機(jī)等負(fù)載的功率。圖2-4用電路圖和一個(gè)組件的剖面來(lái)更詳細(xì)地解釋圖1的實(shí)施例。后面的附圖將通過(guò)引入針對(duì)三相交流電源的示例性實(shí)施例和通過(guò)串聯(lián)地層疊SPGDS來(lái)控制高壓電源的示例性實(shí)施例來(lái)增加復(fù)雜性。
參看第一實(shí)施例,圖1示出根據(jù)本技術(shù)的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)10。圖1的自動(dòng)化系統(tǒng)10可例示任意數(shù)目的用于控制某個(gè)負(fù)載的操作的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)例中,自動(dòng)化系統(tǒng)10可例示使用交流到交流電機(jī)控制的系統(tǒng),諸如針對(duì)抽吸液體、操作傳送帶、空氣煤氣處理或是例如其它形式的工廠自動(dòng)化的自動(dòng)化系統(tǒng)。
自動(dòng)化系統(tǒng)10可包括預(yù)充電電路12,用于將SPGDS 14維持在就緒狀態(tài)。在休止期間,當(dāng)存儲(chǔ)在SPGDS 14內(nèi)的能量否則會(huì)消散的時(shí)候,預(yù)充電電路12可傳遞小電流以將SPGDS 14保持在響應(yīng)就緒狀態(tài),從而在重新激活時(shí)將不會(huì)有充電延遲。針對(duì)傳遞和存儲(chǔ)該能量的組件將在以下更加詳細(xì)地描述。優(yōu)越之處在于,單個(gè)預(yù)充電電路12的某些實(shí)施例可傳遞足以將帶兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的SPGDS 14維持在就緒狀態(tài)的電流。事實(shí)上,如在后續(xù)附圖中將示出的,單個(gè)預(yù)充電電路12可傳遞足以將多個(gè)SPGDS 14維持在就緒狀態(tài)的電流。但是,本技術(shù)并不僅限于使用單個(gè)預(yù)充電電路12的實(shí)施例,因?yàn)槠渌鼘?shí)施例可使用例如多個(gè)預(yù)充電電路12來(lái)提供過(guò)剩的電流源。
SPGDS 14可連接到預(yù)充電電路。SPGDS 14可包括諸如電容器、電感或電池等某種能量存儲(chǔ)裝置,用于從預(yù)充電電路接收能量。此外,SPGDS 14可包括自供電電路,用于在SPGDS 14操作時(shí)捕捉能量并向能量存儲(chǔ)裝置充電。例如,自供電電路可利用SPGDS 14上的電壓差動(dòng)來(lái)向電容器充電。為了控制通過(guò)SPGDS 14的電流,它可包括某種可變傳導(dǎo)裝置,諸如晶閘管、可控硅整流器、金屬氧化物半導(dǎo)體選通晶閘管、閘流管、晶體管、柵關(guān)斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、場(chǎng)控二極管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、靜電感應(yīng)晶體管或是雙極結(jié)型晶體管。示例性SPGDS 14的電路圖在圖4中示出,并在以下進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。
SPGDS 14在處于激活狀態(tài)時(shí)可控制源16與負(fù)載18之間的電流。源可包括各種電能源,諸如交流或直流電源等。在交流電源的情形中,由源16驅(qū)動(dòng)的電流以正弦方式按方波、三角波定向交變,以不規(guī)則方式、或以交變電流的任何其它形式定向交變。負(fù)載可包括適用于利用由源驅(qū)動(dòng)的電流的任何裝置。例如,負(fù)載18可包括電感應(yīng)電機(jī)、加熱元件、電化學(xué)處理或是電弧。如以下將更詳細(xì)地描述的,SPGDS 14可通過(guò)選擇性地允許電流在源16與負(fù)載18之間流動(dòng)來(lái)控制負(fù)載18的操作。
為了抽吸功率,預(yù)充電電路12被耦合到控制電源20。該控制電源20可以是具有充足電容以允許預(yù)充電電路12向SPGDS 14供電的任何交流電源。例如,為了降低成本,控制電源可以是簡(jiǎn)單的行頻源,諸如北美通用的60Hz、120v交流源,或是歐洲通用的50Hz、220v交流源等。但是,也可使用在其它電壓或頻率上工作的控制電源20。因?yàn)轭A(yù)充電電路12對(duì)控制電源20的要求比負(fù)載18對(duì)源16的要求小的多,所以控制電源20所提供的均方根(RMS)電壓可比源16所提供的RMS電壓小的多。例如,控制電源20的RMS電壓可小于源16的RMS電壓的一半或是十分之一。
在操作中,預(yù)充電電路12可向SPGDS 14連續(xù)傳遞小量電荷,以確保SPGDS14內(nèi)為其操作供電的組件維持所存儲(chǔ)電能的充足儲(chǔ)備,以便于能無(wú)延遲地重新啟動(dòng)SPGDS 14。當(dāng)被激活時(shí),SPGDS 14仍可從預(yù)充電電路12抽吸功率,但是自供電電路將通過(guò)利用因SPGDS 14間歇地中斷源16與負(fù)載18之間的電流流動(dòng)而產(chǎn)生的電壓差動(dòng)來(lái)抽吸SPGDS 14的大量功率。但是,應(yīng)當(dāng)注意,本技術(shù)的應(yīng)用并不限定于對(duì)SPGDS 14連續(xù)充電的預(yù)充電電路12,因?yàn)樵谝恍?shí)施例中預(yù)充電電路12可間歇地操作。當(dāng)SPGDS 14處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí),由預(yù)充電電路12提供的電荷可防止向SPGDS供電的組件失去電能。
優(yōu)越之處在于,預(yù)充電電路12可在保持SPGDS電絕緣的同時(shí)從控制電源20向SPGDS 14發(fā)送功率。電絕緣可能是很重要的,因?yàn)镾PGDS 14可能要經(jīng)受來(lái)自源16和負(fù)載18的比控制電源20的峰值電壓大得多的電壓。因此,預(yù)充電電路12可保持SPGDS 14電絕緣。
為了更詳細(xì)地說(shuō)明預(yù)充電電路12,圖2示出了自動(dòng)化系統(tǒng)10內(nèi)所包括的示例性預(yù)充電電路12的電路圖。為了防止電流在SPGDS 14與控制電源20之間流動(dòng),預(yù)充電電路可包括流過(guò)線圈24A和24B的絕緣電流回路22。電流回路22可以是長(zhǎng)度足以貫穿線圈的電線。如圖3中更加詳細(xì)地示出的,線圈24A和24B可被環(huán)繞在電流回路22絕緣體上,以防止電流從線圈24A和24B流到電流環(huán)路22。但是由于它們相互靠近,流過(guò)電流回路22的交變電流可能會(huì)在線圈24A和24B中感應(yīng)出電流??衫迷摳猩娏鱽?lái)維持SPGDS 14中的電荷。
一對(duì)橋式整流器26A和26B可對(duì)線圈24A和24B中感生出的交變電流進(jìn)行整流。橋式整流器26A和26B分別被設(shè)置在SPGDS與線圈24A和24B之間。橋式整流器將線圈24A和24B內(nèi)的交變電流轉(zhuǎn)換為單向電流,該單向電流可被用來(lái)向SPGDS內(nèi)的存儲(chǔ)電容(見(jiàn)例如圖4)充電。如本領(lǐng)域中公知的,橋式整流器可包括橋型布置的四個(gè)二極管(例如,DA1-DA4),用于實(shí)現(xiàn)整片整流。但是應(yīng)當(dāng)注意,根據(jù)本技術(shù)的其它實(shí)施例可使用諸如半波整流器等其它裝置來(lái)對(duì)來(lái)自線圈的電流進(jìn)行整流。本實(shí)施例在SPGDS 14內(nèi)每驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)線圈和橋式整流器(見(jiàn)圖2或4)。但是應(yīng)當(dāng)注意,根據(jù)本技術(shù)的其它實(shí)施例可包括更少或更多的線圈或整流器,因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的功率要求會(huì)變化。
預(yù)充電電路12可包括變壓器28用于逐步降低來(lái)自控制電源20的電壓,因?yàn)殡娏骰芈?2的阻抗可能非常低。變壓器28可以是例如適用于將來(lái)自控制電源的電壓逐步降低至0.6伏的簡(jiǎn)單線路變壓器。但是,根據(jù)本技術(shù)的其它實(shí)施例可使用輸出不同電壓的變壓器。
電流回路22的長(zhǎng)度和規(guī)格對(duì)于確保在線圈24A和24B中感生出充足的電流可能是很重要的。在一些實(shí)施例中,電流回路使用長(zhǎng)度在10到30英尺之間的4號(hào)或8號(hào)規(guī)格的電線。例如,某些實(shí)施例可使用6號(hào)規(guī)格電線的21英尺長(zhǎng)的電流回路22。耦合到輸出0.6伏交變電流的變壓器28的這些尺寸的電流回路可承載電流回路22內(nèi)大約50安培的交變電流。圍繞此電流回路22設(shè)置的線圈24A和24B可包括適當(dāng)數(shù)目的繞組,以便于在休止期間向SPGDS 14內(nèi)的電容器供電。
本實(shí)施例使用一對(duì)線圈回路24A和24B與一對(duì)橋式整流器26A和26B來(lái)向使用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的SPGDS(見(jiàn)圖4)充電。因此,本實(shí)施例對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器使用一個(gè)線圈和一個(gè)橋式整流器。但是應(yīng)當(dāng)注意,其它實(shí)施例可使用按其它比率配比的組件。例如,根據(jù)本技術(shù)的一些實(shí)施例可使用單個(gè)線圈和整流器來(lái)支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器,使用多個(gè)線圈和多個(gè)整流器來(lái)支持單個(gè)驅(qū)動(dòng)器,或是使用耦合到單個(gè)整流器和驅(qū)動(dòng)器的多個(gè)線圈。
優(yōu)越之處在于,通過(guò)使用電流回路22,就可利用單個(gè)變壓器28的輸出來(lái)向多個(gè)SPGDS 14內(nèi)的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電。如后續(xù)附圖所示,通過(guò)向預(yù)充電電路12增加線圈回路,諸如線圈回路24A和24B,單個(gè)變壓器28可支持附加的SPGDS 14及其相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器。
但是,在討論使用多個(gè)SPGDS 14的系統(tǒng)之前,先進(jìn)一步詳細(xì)描述環(huán)繞電流回路22的線圈24A和24B的布置。圖3示出環(huán)繞電流回路22布置的線圈24A和24B的剖面立體圖。如前所述,電流回路22內(nèi)的交變電流會(huì)在線圈24A和24B中感生出電流,該電流可被用來(lái)向休止期間的SPGDS 14充電。為此目的,在本實(shí)施例中,線圈24A和24B各包括一個(gè)螺旋磁芯35A和35B,它們分別環(huán)繞電流回路22布置。與此同時(shí),電流將不會(huì)從調(diào)節(jié)高壓功率的SPGDS 14向在低得多的電壓下操作的電流回路22流動(dòng)。
電流回路22可包括導(dǎo)電鐵芯30,它具有一絕緣層32用于防止電流通過(guò)線圈24A和24B流到電流回路22。該絕緣層32可具有足夠的厚度和介電強(qiáng)度以防止電流從線圈24A和24B流到地面。例如,絕緣層32可包括額定在50kv直流的一層硅。但是應(yīng)當(dāng)注意,其它實(shí)施例可使用其它絕緣體,諸如聚四氟乙烯、玻璃絲編織、陶瓷纖維、聚乙烯、聚丙烯或具有足夠介電強(qiáng)度的任何其它材料。
為進(jìn)一步將電流回路22的導(dǎo)電鐵芯30與線圈24A和24B隔絕,預(yù)充電電路12可包括環(huán)繞電流回路導(dǎo)體22布置的絕緣套34。絕緣套34可用塑料或是具有足夠介電強(qiáng)度的任何其它材料制成。為增大其機(jī)械強(qiáng)度,絕緣套34可具有加強(qiáng)筋。優(yōu)越之處在于,在穿過(guò)線圈24A和24B安裝電流回路22時(shí),絕緣套34可保護(hù)較柔軟的絕緣體不受機(jī)械損傷。此外,絕緣套34可便于電流回路22的移除和替換。
為更詳細(xì)地描述示例性SPGDS 14,圖4示出了耦合到預(yù)充電電路12的SPGDS14的電路圖。如前所述,預(yù)充電電路12可耦合到控制電源20以向SPGDS 14傳遞電荷。為控制負(fù)載18的操作,SPGDS 14可被布置成串聯(lián)在源16與負(fù)載18之間。
SPGDS可通過(guò)使用標(biāo)記為SCR1和SCR2的一對(duì)SCR來(lái)控制電流在源16與負(fù)載18之間的流動(dòng)。如前所述,在操作中,SCR可起到由柵信號(hào)控制的整流器的作用。因此,當(dāng)通過(guò)對(duì)柵施加電壓或電流而被開(kāi)啟時(shí),SCR可與二極管很相似地顯現(xiàn)很低的正向電阻和很高的反向電阻。但是,當(dāng)柵信號(hào)消除時(shí),SCR可保持為開(kāi)啟狀態(tài)直至流經(jīng)電流停止。此時(shí),SCR可關(guān)斷并顯現(xiàn)很高的正向和反向電阻。作為這些屬性的結(jié)果,通過(guò)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開(kāi)啟SCR,就可使用SCR來(lái)調(diào)節(jié)交變電流。因此,舉SCR1為例,如果沒(méi)有柵信號(hào)被發(fā)送到SCR1,則非常微弱的電流會(huì)流過(guò)SCR1。如果有柵信號(hào)被發(fā)送到SCR1,則它將起到半波整流器的作用,從而通過(guò)在一個(gè)方向上流動(dòng)的大多數(shù)電流。因?yàn)镾CR在反向偏置時(shí)會(huì)被關(guān)斷,所以每當(dāng)SCR變?yōu)檎蚱脮r(shí)可重復(fù)施加?xùn)判盘?hào),因?yàn)槊總€(gè)周期的一部分將會(huì)反向偏置SCR。值得注意的是,通過(guò)在每個(gè)周期里SCR變?yōu)檎蚱弥蟮囊欢〞r(shí)間開(kāi)啟SCR,源16與負(fù)載18之間的電流就可受到控制。每個(gè)周期里SCR既被正向偏置又被關(guān)斷的時(shí)間越長(zhǎng),電流在源16與負(fù)載18之間通過(guò)的時(shí)間就越短。因此,為了限制傳遞給負(fù)載18的能量,例如為了減緩感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),SPGDS 14可在每個(gè)周期中SCR1或SCR2變?yōu)榍跋蚱弥蟮囊欢〞r(shí)間將其開(kāi)啟。SPGDS 14可通過(guò)調(diào)整此延遲的大小來(lái)控制負(fù)載的操作。SPGDS 14可使用呈反向平行的關(guān)系的一對(duì)SCR,即SCR1和SCR2,從而在每半個(gè)周期里其中一個(gè)SCR被前向偏置。由此,SPGDS 14在每個(gè)周期的正部分和負(fù)部分都可控制源16與負(fù)載18之間的電流。
一對(duì)驅(qū)動(dòng)器36A和36B可分別控制SCR1和SCR2之一。為了控制SCR1和SCR2在何時(shí)開(kāi)啟,每個(gè)驅(qū)動(dòng)器36A和36B可耦合到其所控制的SCR的柵電極。由此,驅(qū)動(dòng)器36A和36B可分別開(kāi)啟SCR1和SCR2。驅(qū)動(dòng)器36A和36B可包括用于確定每個(gè)周期里開(kāi)啟SCR1和SCR2以向負(fù)載18傳遞所需功率的合適的點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器36A和36B的每一個(gè)都可從SPGDS 14的其它組件抽吸功率來(lái)進(jìn)行操作。
一對(duì)電容器C1和C2可存儲(chǔ)電荷以分別向驅(qū)動(dòng)器36A和36B之一供電。電容器C1可被布置成串聯(lián)在源16與驅(qū)動(dòng)器36A之間,而電容器C2可被布置成串聯(lián)在負(fù)載18與驅(qū)動(dòng)器36B之間。通過(guò)與接下來(lái)所討論的各種組件協(xié)作,電容器C1和C2可利用SCR1和SCR2上的電勢(shì)來(lái)捕捉電荷。驅(qū)動(dòng)器36A和36B可抽吸此電荷來(lái)為其操作供電。優(yōu)越之處在于,這樣一種布置可允許SPGDS 14在沒(méi)有各驅(qū)動(dòng)器36A和36B的專用電源的幫助下就能進(jìn)行操作。
各種組件可協(xié)作以向?yàn)轵?qū)動(dòng)器36A和36B供電的電容器C1和C2充電。電容器CS可在SCR1和SCR2都關(guān)斷時(shí)充電,然后向C1和C2放電。取決于SCR1和SCR2在電壓周期的正性或負(fù)性部分里是否均關(guān)斷,電流可流過(guò)二極管D1B或D2B來(lái)給CS充電。與此同時(shí),電流可從電容器CS流到電容器C1或C2之一。如果電容器CS通過(guò)二極管D1B充電,則電流可從電容器CS通過(guò)二極管D2R流到電容器C2來(lái)向電容器C2充電。類似地,如果電容器CS通過(guò)二極管D2B充電,則電流可從電容器CS通過(guò)二極管D2R來(lái)向電容器C1充電。二極管D1R和D2R分別允許電流從電容器CS流到電容器C1和C2中。與此同時(shí),它們可阻止電流經(jīng)除通過(guò)驅(qū)動(dòng)器36A和36B以外的路徑離開(kāi)電容C1和C2。優(yōu)越之處在于,通過(guò)包括與電容器CS串聯(lián)的電阻RS,這兩個(gè)組件可形成緩沖電路,來(lái)阻尼在通過(guò)SPGDS14的電流突變期間,諸如當(dāng)SCR1或SCR2開(kāi)啟時(shí)所產(chǎn)生的瞬時(shí)電流。
齊納二極管DZ1和DZ2可分別與各種組件協(xié)助來(lái)防止電容器C1和C2充到超過(guò)某個(gè)電壓。二極管DZ1和DZ2可具有擊穿電壓(諸如20伏),它起到分別對(duì)電容器C1和C2上的電壓封頂?shù)淖饔谩6O管DZ1和DZ2可分別耦合到一SCR(諸如DSCR1和DSCR2)的柵電極以在電容器C1或C2被充滿時(shí)重新定向離開(kāi)電容器C1或C2的電流。例如,在周期中將驅(qū)動(dòng)電流從電容器CS流到電容器C1的一部分里,當(dāng)SCR1和SCR2均關(guān)斷時(shí),如果C1已完全充滿,則電流可通過(guò)DZ1以開(kāi)啟開(kāi)關(guān)DSCR1。一旦開(kāi)啟,開(kāi)關(guān)DSCR1即可重新定向來(lái)自電容器CS的、否則會(huì)向源16回充的電流。二極管DZ2和DSCR2可用互補(bǔ)方式操作。為確保在二極管DZ1或DZ2到達(dá)其擊穿電壓時(shí),開(kāi)關(guān)DSCR1和DSCR2的柵電極達(dá)到足以使其開(kāi)啟的電壓,可將電阻R1和R2布置成分別串聯(lián)在二極管DZ1與源16之間或是二極管DZ2與負(fù)載18之間。
預(yù)充電電路12可通過(guò)在SPGDS 14處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí)在電容器C1和C2上維持電荷來(lái)補(bǔ)充自供電電路。如前文中所解釋的,控制電源20可驅(qū)動(dòng)交變電流流過(guò)電流回路22。電流回路22可在線圈24A和24B中感生出電流,該電流由橋式整流器26A和26B整流。橋式整流器26A和26B的輸出可分別向電容器C1和C2充電。由此,在SPGDS 14處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí),預(yù)充電電路可在電容器C1和C2上維持一定電荷。優(yōu)越之處在于,當(dāng)SPGDS 14被重新激活時(shí),諸如在軟停操作期間,SPGDS 14在無(wú)需為電容器C1和C2充電而延遲的情況下即可工作。消除這一延遲就可減少電流和轉(zhuǎn)矩浪涌,并延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。
各種自動(dòng)化系統(tǒng)10可使用耦合到SPGDS 14的預(yù)充電電路12。為更詳細(xì)地說(shuō)明這一自動(dòng)化系統(tǒng)10的操作,圖5示出了包括適用于控制SPGDS 14的操作的組件的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)10的框圖。如在上述實(shí)施例中一樣,SPGDS 14可選擇性地允許電流在源16與負(fù)載18之間流動(dòng),并且預(yù)充電電路12可向SPGDS 14提供涓流電荷。除了這些組件之外,自動(dòng)化系統(tǒng)10可包括控制器38,用于管理SPGDS14以及對(duì)負(fù)載執(zhí)行控制的其它各種組件的操作??刂破?8可用允許控制器38控制SPGDS 14的方式被通信地耦合到SPGDS 14。響應(yīng)于來(lái)自控制器38的命令,SPGDS 14可調(diào)節(jié)負(fù)載18的操作。
控制器38可與配置成方便用戶對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)10的控制的遠(yuǎn)程接口40通信。遠(yuǎn)程接口40可包括用于向用戶傳送信息的顯示器、以及諸如鍵盤等用戶可通過(guò)其輸入命令的一些裝置。
控制器38可與接觸器42和44通信,以控制源16與負(fù)載18之間的電流路徑。為了將負(fù)載18從源16解耦合,控制器38可斷開(kāi)接觸器42。類似地,為了引導(dǎo)源16與負(fù)載18之間的電流通過(guò)SPGDS 14,控制器38可閉合接觸器42并斷開(kāi)接觸器44。在某些操作模式中,控制器38可通過(guò)閉合接觸器44來(lái)使得源16與負(fù)載18之間的電流繞過(guò)SPGDS 14。例如,當(dāng)負(fù)載18要在全容量下工作,且源16與負(fù)載18之間的電流不受限制地通過(guò)SPGDS 14時(shí),控制器38可閉合接觸器44以繞過(guò)SPGDS 14。由此,通過(guò)引導(dǎo)SPGDS 14與連接器42和44的操作,控制器36就可調(diào)節(jié)源16與負(fù)載18之間的電流。
根據(jù)本技術(shù)的某些實(shí)施例可使用多個(gè)SPGDS 14。例如,圖6示出用于控制三相電源16與負(fù)載18之間的電流的示例性自動(dòng)化系統(tǒng)10的框圖。源16可通過(guò)交變電流的三條線路向負(fù)載18傳遞功率,其中每條線路與另兩條呈120度的相位差。
SPGDS 14A-C可調(diào)節(jié)源16與負(fù)載18之間的每個(gè)交流相位。如圖6所示,三個(gè)SPGDS 14A-C可被布置成串聯(lián)在源16與負(fù)載18之間,每個(gè)SPGDS 14A-C選擇性地傳導(dǎo)一個(gè)相位。由此,與單相的情況一樣,SPGDS 14A-C可通過(guò)延長(zhǎng)或縮短周期里它們不傳導(dǎo)的部分來(lái)控制負(fù)載18的操作??刂破?8可與各SPGDS 14A-C通信來(lái)控制其操作。
類似地,控制器38可與一連串接觸器42A-C和44A-C通信,來(lái)為源16與負(fù)載18之間的電流選擇一條路徑。由此,為使負(fù)載18從源16解耦合,控制器38可斷開(kāi)接觸器42A-C。為了繞過(guò)SPGDS 14A-C,控制器38可閉合接觸器44A-C,而為了引導(dǎo)源16與負(fù)載18之間的電流通過(guò)SPGDS 14A-C,控制器38可斷開(kāi)接觸器44A-C并閉合接觸器42A-C。
優(yōu)越之處在于,單個(gè)預(yù)充電電路12在作適當(dāng)修改之后可支持多個(gè)SPGDS。圖2的預(yù)充電電路12可被簡(jiǎn)便地修改為支持多個(gè)SPGDS,諸如圖6的SPGDS 14A-C。通過(guò)為每個(gè)附加SPGDS 14向電流回路22添加與線圈24A和24B類似的一對(duì)線圈、以及與整流器26A和26B類似的一對(duì)整流器,預(yù)充電電路12就可向多個(gè)SPGDS供電。優(yōu)越之處在于,可在多個(gè)SPGDS上利用單個(gè)變壓器28和電流回路22。因此,在三相自動(dòng)化系統(tǒng)10中,一個(gè)預(yù)充電電路12可給三個(gè)SPGDS充電。
圖7示出具有層疊SPGDS 14A和14B用于處理較高電壓的示例性單相自動(dòng)化系統(tǒng)10。SPGDS 14A的輸出可被耦合到SPGDS 14B的輸入,以提高自動(dòng)化系統(tǒng)10的電壓處理能力。在一些實(shí)施例中,可通過(guò)層疊兩個(gè)SPGDS來(lái)使電壓處理能力加倍。與三相系統(tǒng)相似,修改為對(duì)每個(gè)SPGDS包括兩個(gè)線圈和橋式整流器的單個(gè)預(yù)充電電路12可向多個(gè)SPGDS 14A和14B充電。
可用各種方式來(lái)組合圖6的三相電源配置和圖7的層疊SPGDS 14A-B的配置以產(chǎn)生其它實(shí)施例。例如,根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例包括每相位使用1個(gè)SPGDS來(lái)處理2300伏電源、每相位使用兩個(gè)SPGDS來(lái)處理3300和4160伏電源、以及每相位使用三個(gè)SPGDS來(lái)處理6900伏電源的自動(dòng)化系統(tǒng)10。由此,適用于接受三相電源的這些實(shí)施例分別可使用三個(gè)、六個(gè)或九個(gè)SPGDS。當(dāng)SPGDS被添加到自動(dòng)化系統(tǒng)10中時(shí),使用單個(gè)預(yù)充電電路12、而不是每個(gè)SPGDS一對(duì)單獨(dú)的電源來(lái)向SPGDS中的電容器充電的優(yōu)勢(shì)就變得更為明顯。
當(dāng)向多個(gè)SPGDS提供單個(gè)預(yù)充電電路12時(shí),將電流回路22斷成相互串聯(lián)的片段可證明是有利的。這些段可連接到SPGDS或一組SPGDS之間的端子。通過(guò)將電流回路22斷為數(shù)段,就可移走一段進(jìn)行修理或維護(hù)而不用將電流環(huán)路22穿過(guò)與每個(gè)SPGDS相關(guān)聯(lián)的每一對(duì)線圈。
盡管本文中僅示出并描述了本發(fā)明的某些特征,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可進(jìn)行許多修改和變化。因此應(yīng)當(dāng)理解,所附權(quán)利要求書(shū)旨在涵蓋落在本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng),包括預(yù)充電電路,所述預(yù)充電電路被配置成耦合到第一交流電源,并向自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)內(nèi)的諸組件充電,同時(shí)阻止電流在所述第一交流電源與所述自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)之間流動(dòng);以及耦合到所述預(yù)充電電路的至少一個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng),其中所述自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)被配置成選擇性地耦合第二交流電源和一負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)充電電路包括一電流回路以及圍繞所述電流回路設(shè)置的線圈。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng),其特征在于,所述電流回路包括圍繞所述電流回路設(shè)置在所述線圈與所述電流回路之間的絕緣體。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)充電電路包括一變壓器。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)充電電路包括一橋式整流器。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)充電電路對(duì)每個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)包括兩個(gè)橋式整流器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,所述預(yù)充電電路包括具有輸入和輸出的變壓器,其中所述輸入被耦合到所述第一交流電源;電流回路,所述電流回路耦合到所述變壓器的輸出并被配置成在線圈中感生電流;圍繞所述電流回路設(shè)置的絕緣層;圍繞所述絕緣層設(shè)置的套子;圍繞所述套子設(shè)置的線圈;以及具有輸入和輸出的橋式整流器,所述橋式整流器被配置成對(duì)所述線圈中感生出的交變電流進(jìn)行整流,其中所述輸入被耦合到所述線圈,而所述輸出被耦合到所述自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,包括至少三個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng),其中至少一個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)被配置成選擇性地將三相交流電源的每個(gè)相耦合到負(fù)載。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于,包括相互串聯(lián)地耦合的多個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。
10.一種選擇性地耦合電源與負(fù)載的方法,包括選擇性地將電源通過(guò)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)耦合到負(fù)載;以及用預(yù)充電電路對(duì)所述自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)充電。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng),其特征在于,對(duì)所述自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)充電與選擇性地將電源通過(guò)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)耦合到負(fù)載非并發(fā)地進(jìn)行。
全文摘要
一種用來(lái)給自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)充電的設(shè)備和方法。該設(shè)備可包括用于在線圈中感生電流的電流回路。橋式整流器可對(duì)線圈中感生出的電流進(jìn)行整流,并對(duì)用來(lái)向自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器供電的電容器充電。電流回路和線圈可用介電體分隔,以阻止電流在自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)與電流回路之間流過(guò)。電流回路可耦合到線電壓變壓器以驅(qū)動(dòng)交變電流通過(guò)電流回路。在某些實(shí)施例中,單個(gè)電流回路和變壓器可向多個(gè)自供電柵驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)充電。
文檔編號(hào)H02P27/02GK1956303SQ20061014162
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者D·S·S·邁克蘭, K·R·希爾德雷 申請(qǐng)人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司
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