Коммутация электрической мощности с эффективной защитой переключателя
Изобретение относится к электросиловым системам. Основная идея заключается во введении линии (25) задержки между переключателем (20) и силовым выходом системы коммутации электрической мощности, чтобы искрение нагрузки (40) не воздействовало на переключатель (20) на протяжении времени задержки, обеспечиваемого этой линией (25). Это позволяет обнаружить искрение нагрузки и активно защитить переключатель, как правило, путем его отключения, до того как на него начнет действовать искрение нагрузки. В качестве альтернативы, задержка в линии может быть достаточно большой, чтобы при нормальной импульсной работе переключатель уже был выключен до того, как до него дойдет ток повреждения нагрузки. Технический результат - защита переключателя от неисправностей в нагрузке. 2 н. и 39 з.п. ф-лы, 15 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение в основном относится к электросиловым системам, таким как силовые генераторы, силовые модуляторы и тому подобное, и в частности касается проблемы коммутации электрической мощности и защиты переключателей в таких системах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электросиловые системы применяются практически во всех отраслях промышленности, и обычно в их состав входит некое коммутирующее оборудование для управляемой передачи электроэнергии или электрической мощности на нужную нагрузку. Коммутация электрической мощности используется в самых разнообразных приложениях, таких как локомотивы, автомобили, конвейеры, эскалаторы и лифты, оборудование для кондиционирования воздуха, бытовые электроприборы, СВЧ приборы, медицинское оборудование, лазерные оптические приводы и радары.
Примером обычных силовых систем является силовой модулятор, который представляет собой устройство, которое управляет потоком электроэнергии. Если силовой модулятор предназначен для создания электрических импульсов, то он также называется импульсным модулятором или импульсным генератором. В наиболее обычном своем применении силовой модулятор подает серию высокомощных электрических импульсов на выбранную нагрузку. Например, такие мощные электрические импульсы применяются для подачи энергии на лампы усилителей СВЧ в системах ускорителей электронов и/или в системах генерирования волн СВЧ, применяющихся, например, в медицине и радиолокации. В большинстве мощных радиолокаторов модуляторы используются для подачи силовых импульсов на источник волн СВЧ, который, в свою очередь, подает энергию в виде периодических пачек СВЧ импульсов в антенну. Разумеется, существуют другие различные варианты применения. Также следует отметить, что к качеству генерируемых импульсов могут предъявляться высокие требования. Среди рассматриваемых параметров можно упомянуть энергию импульса, длительность импульса, время нарастания, время спада и равномерность импульса.
Конструкция силовых модуляторов не сильно изменилась со времен второй мировой войны. Как правило, силовой модулятор состоит из источника мощности, на который поступает питание от электросети переменного тока и который повышает напряжение, преобразует переменный ток в постоянный и далее подает питание на накопитель, обычно состоящий из конденсаторной батареи. Это необходимо потому, что входная линия электропитания обычно не может обеспечить требуемую пиковую мощность, и указанная пиковая мощность небольшими порциями берется из накопителя, а в самом накопителе происходит постоянное восполнение или восстановление за счет источника питания постоянного тока при намного меньшем энергопотреблении. Часть энергии из накопителя затем передается на второй, меньший накопитель, так называемый формирователь импульсов (ФИ), который состоит из нескольких взаимосвязанных катушек индуктивности и конденсаторов.
ФИ быстро заряжается, к примеру, до 20 кВ, и затем на мгновение соединяется с импульсным трансформатором посредством высоковольтного переключателя для подачи на импульсный трансформатор половины зарядного напряжения. Высоковольтный переключатель обычно представляет собой плазменный переключатель или переключатель на ионизированном газе, например, водородный тиратрон, который можно только включить, но нельзя выключить. Далее, от ФИ требуется создать импульс и подать мощность в нагрузку в виде прямоугольного импульса, имеющего относительно малое время нарастания и время спада по сравнению с длительностью импульса. ФИ разряжается в режиме бегущей волны, то есть волна электрического импульса идет от замкнутого конца к "разомкнутому" концу, отражается от указанного разомкнутого конца и идет обратно на замкнутый конец, забирая при прохождении энергию из конденсаторов накопителя энергии и подавая ее на импульсный трансформатор. Импульс оканчивается, когда бегущая волна проходит ФИ в обоих направлениях, и из схемы извлекается вся запасенная энергия. Напряжение ФИ до переключения равно V, а напряжение, подаваемое на первичную обмотку импульсного трансформатора, равно V/2 или немного меньше.
В случае отказа какого-либо из компонентов ФИ, после замены указанного компонента необходимо заново настроить ФИ для получения оптимальной формы импульса. Это утомительная и опасная работа, поскольку она должна выполняться при включенном высоком напряжении ФИ. Кроме этого, если нужна разная длительность импульса, то необходимо заменить и/или заново настроить весь блок формирователя импульсов.
После подачи импульса формирователь импульсов должен полностью перезарядиться до напряжения V для подачи следующего импульса. Для сохранения повторяемости от импульса к импульсу в районе нескольких десятых долей процента необходимо высокоточное управление большим зарядным напряжением. Кроме того, полный заряд и полный разряд конденсаторов формирователя импульсов в каждом импульсе, который генерируется с частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в секунду, предъявляет особые требования к диэлектрическим материалам указанных конденсаторов, в результате чего конденсаторы приходится выполнять с очень низкими механическими напряжениями и, следовательно, с малой плотностью энергии. В результате этого формирователь импульсов представляет собой достаточно объемную конструкцию.
Все традиционные силовые модуляторы, работающие на высоковольтных переключателях формирователей импульсов, например, тиратронах или кремниевых управляемых выпрямителях, не защищены от короткого замыкания в нагрузке (что происходит достаточно часто, например, при работе магнетронных ламп). Поскольку эти модуляторы не могут быть выключены во время импульса, возможно возникновение очень больших токов повреждения, которые могут вывести из строя как модулятор (особенно упомянутые переключатели), так и нагрузку. При этом отсутствует возможность прервать подачу тока, поскольку высоковольтные формирователи импульсов не могут быть выключены до тех пор, пока величина тока не достигнет нуля.
Дополнительную информацию по традиционным импульсным генераторам можно найти в 5-м томе серии документов по радарам M.I.Т. Radiation laboratory: "Pulse Generators" (Импульсные генераторы), под редакцией Glasoe и LeBacqz, Wiley, N.Y. (конец 1940-х годов).
Патент США 5,905,646 относится к новой концепции силового модулятора, в котором используется один или более переключателей 20 с электронным управлением для более или менее непосредственного подключения и отключения источника 10 мощности к импульсному трансформатору 30 и/или нагрузке 40, как схематично показано на фиг.1. Источник 10 мощности образован одним или более конденсаторами накопителя энергии, заряжаемыми от источника питания постоянного тока. Длительностью импульса управляет схема 22 управления, которая включает переключатель для обеспечения начала импульса и выключает его для прекращения импульса. Для обеспечения достаточной равномерности импульса может использоваться специальная схема, которая компенсирует падение напряжения в ходе разряда конденсатора. Этот новый тип модулятора, который иногда называют LCW-модулятором, по первым буквам фамилий его изобретателей - Lindholm (Линдхольм), Crewson (Крусан) и Woodburn (Вудберн), имеет некоторые преимущества по сравнению с традиционными модуляторами, основанными на формирователе импульсов:
- Снята необходимость в схеме формирователя импульсов.
- Обеспечивается более компактная конструкция.
- Меньшие паразитные потери.
- Повышенный ресурс.
- Возможна электронная регулировка длительности импульса. При этом отсутствует необходимость в замене схем или перенастройке. В идеале, при необходимости длительность импульса может изменяться даже от импульса к импульсу.
- Напряжение, подаваемое на нагрузку, равно напряжению на конденсаторе, а не его половине, как в случае с модуляторами на основе формирователя импульсов. Это означает, что может быть использована вся номинальная мощность переключателя, а не ее половина (полное напряжение и ток).
На фиг.2 показана принципиальная схема типового LCW-модулятора текущего уровня техники. Источник мощности 10 представляет собой, как правило, источник питания постоянного тока, который заряжает конденсатор аккумулирования энергии. Переключатель 20 с электронным управлением, например, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), подключает конденсатор к первичной обмотке повышающего импульсного трансформатора 30 через пассивную сглаживающую цепь.
Хотя LCW-модулятор является большим шагом вперед в конструкции модуляторов, этому решению также свойственны некоторые недостатки. Простое и более или менее непосредственное соединение между заряженным конденсатором (конденсаторами) и нагрузкой приводит к тому, что в случае неисправности в нагрузке, например короткого замыкания, на переключатель могут действовать разрушительные токи и напряжения.
Некоторые современные твердотельные переключатели, например, переключатели IGBT, имеют встроенную защиту от короткого замыкания. Однако прерывание больших токов обычно сказывается на сроке службы IGBT весьма непредсказуемым образом. И хотя некоторые IGBT с номинальным постоянным током 1600 А имеют номинальное значение тока короткого замыкания "10Х", что означает, что они способны прервать ток, в десять раз больший номинального постоянного тока, т.е. 16000 А, приблизительно за десять микросекунд, все равно это единичное за весь срок службы переключателя событие, и обычно не предполагается многократного прерывания таких токов.
Следовательно, необходимо защитить переключатели от неисправностей в нагрузке, таких как короткие замыкания, для предотвращения выхода переключателя из строя и/или для увеличения срока его службы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение решает указанные и другие проблемы устройств текущего уровня техники.
Основная задача данного изобретения заключается в защите переключателя(ей) в силовых коммутирующих системах устройств электропитания от неисправностей в нагрузке и тому подобного.
В частности, предпочтительно защитить переключатель(и) от короткого замыкания в нагрузке.
Также задачей настоящего изобретения является защита переключателя(ей) от неисправностей, вызванных обрывом цепи в нагрузке.
Конкретной целью является сохранение преимуществ современных схем силовых модуляторов на основе переключателей с электронным управлением и решение проблемы разрушительных токов, возникающих при неисправности в нагрузке, и/или проблемы всплесков напряжения.
Еще одной конкретной целью является разработка усовершенствованной системы коммутации электрической мощности.
И еще одной конкретной целью является разработка усовершенствованной силовой электрической системы.
Эти и другие задачи решаются настоящим изобретением, как указано в прилагающейся формуле изобретения. Основная идея изобретения заключается во введении линии задержки между переключателем и силовым выходом системы коммутации электрической мощности, чтобы искрение нагрузки не воздействовало на переключатель на протяжении времени задержки, обеспечиваемого этой линией. Это позволяет обнаружить искрение нагрузки и активно защитить переключатель, как правило, путем его отключения, до того как на него начнет действовать искрение нагрузки. В качестве альтернативы, задержка в линии может достаточно большой, чтобы при нормальной импульсной работе переключатель уже был выключен до того, как до него дойдет ток повреждения нагрузки. В любом случае переключатель будет выключен при нормальном токе и не подвергнется разрушительному действию перегрузки по току и напряжению.
В основном, система коммутации электрической мощности согласно положениям данного изобретения предпочтительно содержит силовой вход и силовой выход, переключатель для коммутации импульсов с силового входа на силовой выход, линию передачи, соединяющую переключатель и силовой выход и предназначенную для передачи импульса с временной задержкой для защиты переключателя от нагрузочного тока повреждения.
Для того чтобы снизить задержку и, следовательно, физические размеры линии передачи, очень важно обнаруживать токи повреждения, вызванные неисправностью в нагрузке, и активно защищать переключатель, предпочтительно путем немедленного его отключения, т.е. до того, как его достигнет перегрузка по току. Коммутация предпочтительно выполняется электронно-управляемым включением и выключением переключателя, при этом переключатель включается для того, чтобы начать подавать импульс, и выключается для того, чтобы прекратить импульс. Большинство переключателей с электронным управлением, например современные твердотельные переключатели, имеют так называемое время накопления заряда, которое соответствует временной задержке между подачей сигнала на выключение и ответной реакцией переключателя, а именно, началом выключения тока. Эта временная задержка часто также называется задержкой выключения переключателя. Следовательно, если только не генерируются крайне короткие импульсы, линия передачи должна быть предпочтительно сконфигурирована с задержкой большей, чем задержка выключения переключателя, чтобы имелось время для действительного выключения переключателя.
Как дополнительная мера безопасности, для большей надежности, задержка в линии передачи обычно превышает сумму задержки выключения переключателя и времени спада тока, так что подача тока может быть полностью перекрыта до того, как последствия неисправности достигнут переключателя.
Для предотвращения воздействия на форму импульса в предпочтительном варианте линия передачи имеет задержку большую, чем половина длительности импульса. Таким образом, в течение импульса исключено возникновение отражений, вызванных линией передачи.
В предпочтительном варианте, линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную (LC) линию передачи, которая во многом сходна с традиционными схемами формирователя импульсов, но имеет совершенно другую функцию. Линия передачи не используется для хранения энергии импульса, как в случае с формирователем импульсов, она всего лишь представляет собой линию задержки для передачи энергии импульса с более или менее тем же напряжением на выходе, что и на входе. Для формирователя импульсов выходное напряжение составляет лишь половину от входного, а для извлечения энергии из конденсатора необходима бегущая волна.
Как дополнительная мера безопасности, к входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи может быть присоединен диод для подавления выбросов.
Линия задержки передачи может быть реализована другим способом, например, на основе некоторого количества насыщающихся сердечников.
Согласно примеру осуществления настоящего изобретения, для модификации формы импульса линия передачи может быть фактически спроектирована как неоднородная линия передачи. Например, полное сопротивление выхода линии задержки может отличаться от полного сопротивления входа линии задержки, так что достигается плавное изменение полного сопротивления в линии задержки. Если полное сопротивление выхода линии задержки меньше, чем полное сопротивление входа линии задержки, то можно, например, компенсировать падение напряжения, возникающее в ходе разряда конденсаторного источника мощности, и поддерживать плоскостность импульса в пределах 1 процента от средней амплитуды импульса. В качестве примера, плавное изменение полного сопротивления может быть достигнуто путем размещения внутри обмотки линии задержки проводящего стержня с сужающимся поперечным сечением.
Как правило, полное сопротивление линии передачи согласовано с нагрузкой, с которой будет использоваться система коммутации электрической мощности, и таким образом энергия импульса полностью поступает в нагрузку, а не возвращается обратно в модуль генерирования импульсов.
Однако проблема короткого замыкания в нагрузке является не единственной. Кроме этого следует упомянуть еще проблему обрыва цепи в нагрузке. Поэтому система коммутации электрической мощности согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте содержит схему ограничения напряжения, например, металлооксидный варистор, установленный на выходе линии передачи, что обеспечивает защиту от обрыва цепи в нагрузке.
Изобретение применимо ко всем силовым системам с коммутацией, в которых переключатели должны быть защищены от токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке. Полная система питания, такая как силовой модулятор для генерирования импульсной выходной мощности, включает, например, повышающий трансформатор, установленный между линией передачи и силовым выходом. Трансформатор может представлять собой трансформатор с "расщепленным" сердечником при конфигурации схемы согласно патенту США 5,905,646 или патенту США 6,741,484.
Настоящее изобретение имеет следующие преимущества:
- Эффективная защита переключателя при помощи задержки передачи.
- Высокая выходная мощность. Система питания согласно данному изобретению может дать в четыре (4!) раза больше мощности, чем традиционная система питания без защиты переключателя при помощи задержки.
- Защита от короткого замыкания в нагрузке.
- Обнаружение токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке, и активное отключения переключателя, что снижает задержку и следовательно физические размеры линии передачи.
- Линия задержки с интегрированной компенсацией спада напряжения импульса.
- Защита от обрыва цепи в нагрузке.
Другие преимущества, предоставляемые данным изобретением, станут понятны после рассмотрения приведенных ниже вариантов осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение, вместе с изложенными далее задачами и его преимуществами, для облегчения понимания будет далее описано со ссылкой на прилагающиеся чертежи, в которых:
Фиг.1 изображает принципиальную блок-схему системы электропитания с электронным управлением включением-выключением силового переключателя согласно текущему уровню техники.
Фиг.2 изображает принципиальную схему примера LCW-модулятора согласно текущему уровню техники.
Фиг.3 изображает принципиальную блок-схему системы питания согласно основному примеру осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает схематическую сигнальную диаграмму для импульса с относительно большой временной задержкой.
Фиг.5 изображает принципиальную блок-схему системы питания с активным обнаружением тока и активным выключением согласно примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 изображает схематическую сигнальную диаграмму для временной задержки, которая меньше задержки на фиг.4.
Фиг.7 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 изображает схематическую сигнальную диаграмму, показывающую задержанный импульс с компенсацией спада напряжения согласно положениям данного изобретения.
Фиг.9 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.10 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.11 изображает принципиальную блок-схему силового модулятора согласно примеру осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения.
Фиг.13 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.
Фиг.14 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру предпочтительного осуществления настоящего изобретения.
Фиг.15 изображает принципиальную схему, поясняющую выполнение линии задержки согласно положениям настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На всех чертежах для обозначения сходных или аналогичных элементов будут использоваться одинаковые номера позиций.
Для удобства изложения следует начать с краткого анализа основной проблемы. Как уже упоминалось выше, LCW-модулятор имеет ряд преимуществ по сравнению с системами модуляции на основе формирователя импульсов. Однако имеются и некоторые недостатки. Простое и более или менее непосредственное соединение между заряженным конденсатором и нагрузкой приводит к тому, что в случае короткого замыкания в нагрузке на LCW-модулятор воздействуют большие и наносящие ущерб токи и напряжения. Это происходит, например, во многих системах СВЧ модуляции, поскольку нагрузка (например, лампа клистрона или магнетрона) может искрить и действительно непредсказуемо искрит при подаче импульса. Изобретатели пришли к выводу, что единственный выход в случае короткого замыкания в нагрузке - это как можно быстрее отключить переключатель(и). Но твердотельные переключатели характеризуются отличной от нуля задержкой выключения. Например, для переключателя IGBT время от понижения напряжения на затворе IGBT до того, как IGBT начнет выключать подачу тока, обычно составляет от 0,1 до 2 микросекунд, и если модулятор должен создавать время нарастания импульса менее микросекунды, то его внутренняя индуктивность будет достаточно низкой, так что ток в нагрузке (и переключателе) во время этой задержки может многократно превысить ток, характерный для нормального импульса. И когда переключатель, наконец, прерывает этот большой ток, то внутренняя индуктивность цепи противодействует этому изменению, вызывая бросок напряжения в переключателе. То есть описанная угроза двояка - если переключатель не поврежден большим током, то это может сделать скачок напряжения.
Основная идея настоящего изобретения заключается в установке линии задержки между переключателем и силовым выходом системы коммутации электрической мощности таким образом, чтобы переключатель был защищен от перегрузки по току, вызванной неисправностью в нагрузке, путем задержки в линии передачи, как показано на фиг.3. Система питания на фиг.3 аналогична приведенной на фиг.1, за исключением линии 25 задержки, надлежащим образом установленной между переключателем 20 и (опция) трансформатором 30 или фактической нагрузкой 40. По существу, система коммутации электрической мощности на фиг.3 содержит силовой вход, соединенный с источником 10 мощности, и силовой выход, соединенный с трансформатором 30 (если таковой используется) или нагрузкой 40. С точки зрения коммутации мощности, (дополнительный) трансформатор может считаться частью нагрузки; это только лишь вопрос логики рассмотрения. Система коммутации электрической мощности также имеет переключатель 20 для коммутации энергетического импульса с силового входа на силовой выход и линию 25 передачи, подключенную между переключателем и силовым выходом и предназначенную для передачи импульса с определенной задержкой, что позволяет защитить указанный переключатель от возможных токов повреждения, вызванных неисправностью в нагрузке. Такой принцип защиты переключателя применим в основном ко всем системам коммутации электрической мощности, но особенно полезен для переключателей с управлением включением/выключением, таких как IGBT, МСТ (тиристор с МОП - (металл-оксид-полупроводник) управлением), GTO (запираемый тиристор), ICT (транзистор с инверсионным каналом), MosFet (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП)), а также других современных твердотельных переключателей, которые используются с соответствующим пусковым устройством или схемой 22 управления.
Таким образом, силовому переключателю 20 никогда не придется прерывать ток, превышающий его номинальные параметры, и при этом также значительно снижен обратный бросок напряжения при выключении. Это дает возможность выдерживать повторяющееся искрение в нагрузке, например, в магнетронном модуляторе.
Линия передачи может быть, например, сконфигурирована с достаточно длительной задержкой, чтобы переключатель в нормальном режиме уже был выключен то того, как его достигнут токи повреждения от нагрузки, как показано на фиг.4. Импульс, обозначенный пунктиром, представляет собой импульс, как он "виден" переключателю, а импульс, обозначенный сплошной линией, представляет собой задержанный импульс, каким он представляется нагрузке на силовом выходе.
Таким образом, настоящее изобретение при помощи временной задержки обеспечивает защиту переключателя от перегрузки по току, вызванной коротким замыканием в нагрузке. Кроме этого, согласно настоящему изобретению, переключатель способен работать при своих полных расчетных параметрах напряжения и тока, вследствие чего он используется более эффективно. В случае схемы на основе формирователя импульсов, переключатель доставляет в нагрузку только половину рабочего (заряжающего) напряжения, и поскольку он последовательно подвергается действию коротких замыканий в нагрузке, он должен работать при токе, составляющем половину от номинала, из-за того, что ток на переключателе в случае короткого замыкания в нагрузке увеличивается вдвое. В итоге получается, что система согласно принципу защиты, предложенному в данном изобретении, может дать в четыре (4!) раза больше мощности, чем традиционная система питания без защиты переключателя при помощи задержки. В этом отношении линия передачи согласно положениям данного изобретения в предпочтительном варианте в основном не влияет на напряжение, хотя возможно интегрирование в указанную линию передачи некой модуляции напряжения для компенсации спада напряжения на конденсаторном источнике мощности, как будет объяснено далее.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, который схематично показан на фиг, 5, система коммутации электрической мощности также оборудована датчиком 27 тока, который обнаруживает ток повреждения, и в случае обнаружения такового, подает сигнал на выключение переключателю. Таким образом, также возможно активно обнаруживать нагрузочные токи повреждения и активно выключать переключатель до того, как на нем отразятся симптомы неисправности в нагрузке. Другими словами, переключатель будет выключен (разомкнут) при нормальном токе и не подвергнется действию перегрузки по току и перенапряжения. Возможны другие способы защиты переключателя в ответ на обнаружение тока повреждения, например, выключение (размыкание) дополнительного нормально замкнутого переключателя.
Датчик 27 тока предпочтительно устанавливают на выходе линии задержки. Возможно применение любого датчика тока, известного из уровня техники, например, датчика на основе катушки индуктивности и шунтирующего сопротивления. В предпочтительном варианте указанный датчик связан с компаратором (не показан), который обрабатывает выходной сигнал датчика. При этом компаратор может быть настроен таким образом, что он переключается при превышении выходным сигналом определенного значения выше нормального тока, например, полуторакратного нормального тока. Тогда, если в нагрузке возникает неисправность и ток увеличивается вдвое, это приводит к срабатыванию компаратора. Например, в случае использования переключателя IGBT, выходное напряжение от компаратора может быть затем использовано для включения полевого МОП-транзистора, расположенного на затворе IGBT, и для отключения подачи напряжения затвора IGBT. Возможна фиксация срабатывания, так что для возобновления подачи импульсов потребуется сигнал сброса или по меньшей мере увеличение длительности сигнала отключения, так чтобы он оставался активным дольше, чем длительность переходных процессов при коротком замыкании, протекающих в линии задержки, и, таким образом, до того как будет разрешена подача нового отпирающего импульса, IGBT удерживается в выключенном состоянии в течение указанного интервала времени. Система в целом может быть не заземлена, но если она все-таки заземлена, то датчик тока в предпочтительном варианте должен быть установлен на линии высокого напряжения.
Использование датчика тока и активное отключение переключателя также означает, что по сравнению с основным вариантом осуществления изобретения, приведенным на фиг.3, может быть снижена задержка. Отсюда вытекает еще одно важное преимущество, а именно, возможность сделать конструкцию более компактной, поскольку также происходит уменьшение физических размеров линии передачи. В отношении вышесказанного важно учитывать, какая задержка необходима. Обычно задержка должна быть больше, чем задержка выключения переключателя, если не генерируются очень короткие импульсы (если задержка выключения составляет несколько микросекунд, а при этом генерируются импульсы с длительностью в доли микросекунд, то достаточно, чтобы задержка превысила длительность субмикросекундного импульса). Как дополнительная мера безопасности, для большей надежности, задержка в линии передачи обычно превышает сумму задержки переключателя при выключении и времени спада тока, так что подача тока может быть полностью перекрыта до того, как последствия неисправности достигнут переключателя. Для предотвращения воздействия на форму импульса в предпочтительном варианте линия передачи имеет задержку большую, чем половина длительности импульса. Таким образом, исключено возникновение в течении импульса отражений, вызванных линией передачи.
В качестве примера рассмотрим переключатель IGBT с задержкой отключения, допустим, равной 2 микросекундам (время между понижением напряжения затвора IGBT и ответом IGBT в виде начала выключения тока), и временем спада тока после указанной задержки, допустим, равным 0,5 микросекунды. При таких условиях желательно обеспечить задержку, по меньшей мере, 2 микросекунды, или в предпочтительном варианте по меньшей мере 2,5 микросекунды, чтобы ток мог быть полностью выключен до того, как последствия неисправности достигнут IGBT. При выполнении указанного условия, обратный выброс напряжения будет таким же, как если бы IGBT работал с обычной активной нагрузкой. При этом выключаемый ток не превышает номинальный, и запирающее напряжение также не превышает допустимых пределов.
Размещение 2,5-микросекундной линии задержки между каждым импульсным модулем и первичной обмоткой импульсного трансформатора по существу "разъединяет" импульсный модуль от нагрузки на 5 микросекунд. Другими словами, модуль "увидит" нагрузку только через 5 микросекунд или через полный цикл прохождения сигнала по линии задержки. Это помогает упростить настройку модулятора и делает его менее чувствительным к полному сопротивлению нагрузки, особенно, если длина линии задержки равна по меньшей мере половине от максимальной длительности импульса, который необходимо получить от модулятора. При необходимости получить максимальный 10-микросекундный импульс, линия задержки должна быть "длиной" по меньшей мере 5 микросекунд, чтобы обеспечить описанное выше разъединение. При условии соблюдения описанных выше требований плоскостность вершины импульса модулятора и выброс на фронте импульса могут быть "настроены" на рабочем месте при помощи искусственной нагрузки, присоединенной к линии задержки, которая будет имитировать паразитную индуктивность и емкость импульсного трансформатора и сопротивление нагрузки, что в результате обеспечит генерирование на нагрузке импульса правильной формы без полномасштабного тестирования или испытательных прогонов.
Фиг.7 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC линии передачи согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В предпочтительном варианте, линия задержки является пассивной линией задержки передачи, например, индуктивно-емкостной (LC) линией передачи. LC-линия задержки в основном похожа на традиционную схему формирователя импульсов, но имеет совершенно другую функцию. Линия передачи не используется для хранения энергии импульса, как в случае с формирователем импульсов, она всего лишь представляет собой линию задержки для передачи импульса с более или менее тем же напряжением на выходе, что и на входе. Для формирователя импульсов выходное напряжение составляет лишь половину от входного, а для извлечения энергии конденсатора необходима бегущая волна. Таким образом, линия задержки (передачи) согласно настоящему изобретению не является схемой формирователя импульсов.
В примере осуществления были испытаны конденсаторы RIFA 0,68 мкФ, 1600 В при токе в 1000 А, напряжении в 1000 В и частоте 400 кГц. Результаты испытаний показали, что эти изделия достаточно надежны, чтобы использоваться в качестве конденсаторов в линии задержки. Значительным преимуществом указанных конденсаторов является их высокое качество при невысокой стоимости. Узлы линии задержки можно разместить внутри корпуса импульсного трансформатора, при этом находящаяся в нем охлаждающая жидкость будет обеспечивать эффективное охлаждение указанных компонентов. При этом после "настройки" всего силового модулятора и его запуска обычно отсутствует необходимость регулировать линию задержки.
Как правило, линия задержки имеет две выходные клеммы для подключения к нагрузке для защиты от перегрузки по току, вызванной коротким замыканием в нагрузке. Другие эквивалентные конфигурации будут описаны далее.
Как правило, полное сопротивление (импеданс) линии передачи согласован с нагрузкой, с которой будет использоваться система коммутации электрической мощности, и таким образом энергия импульса полностью поступает в нагрузку, а не возвращается обратно в модуль(и) генерирования импульсов.
Хотя линия задержки обычно передает импульс на выход с более или менее тем же напряжением, что и на входе линии передачи, линия передачи может быть на самом деле спроектирована как неоднородная линия передачи для регулирования таким образом формы импульса. Например, полное сопротивление на выходе линии задержки передачи может отличаться от полного сопротивления на входе для получения таким образом плавного изменения полного сопротивления в линии задержки. Если полное сопротивление на выходной стороне линии задержки передачи меньше, чем полное сопротивление на входной стороне линии задержки передачи, то можно, например, компенсировать спад напряжения в ходе разряда конденсаторного источника мощности и поддерживать плоскостность импульса с точностью десятых долей процента от средней амплитуды импульса, как схематически показано на фиг.8. Например, плавное изменение полного сопротивления может быть получено путем размещения внутри обмотки линии задержки проводящего стержня (конусообразной формы).
Фиг.9 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC-линии передачи согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. В системе коммутации электрической мощности на фиг.9 как дополнительная мера безопасности предусмотрен диод для ограничения выбросов, подключенный ко входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи. То есть, диод для ограничения выбросов установлен в начале линии задержки. Его установка дает некоторые преимущества. Поскольку диод подключен параллельно конденсатору, который является частью линии задержки, обратное напряжение и ток не будут прилагаться к этому диоду мгновенно, что позволяет включать и выключать его более плавно, в отличие от быстрых диодов, используемых в переключателе IGBT для ограничения броска запирающего напряжения на коллекторе. Указанный диод для ограничения выбросов может быть установлен последовательно с небольшим сопротивлением (не показано) и действовать как концевой ограничитель для демпфирования "звона" в линии задержки, возникающего после импульса.
Фиг.10 изображает принципиальную схему примера системы коммутации электрической мощности на основе LC-линии передачи согласно третьему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Проблема короткого замыкания в нагрузке является не единственной. Кроме этого следует упомянуть еще проблему обрыва цепи в нагрузке. Поэтому система коммутации электрической мощности, показанная на фиг.10, в предпочтительном варианте содержит дополнительную схему ограничения напряжения, например, металлооксидный варистор, установленный параллельно линии задержки на выходе линии передачи, что обеспечивает защиту от обрыва цепи в нагрузке. Таким образом, если отсутствует нагрузка, ограничитель напряжения ограничивает рост напряжения и предотвращает удвоение напряжения на выходе (и входе) линии задержки. На некоторых современных переключателях для этой цели установлена встроенная диодная защита, так что ограничитель напряжения не требуется. На фиг.10 также показан комбинированный узел, включающий датчик тока и компаратор, инициирующий подачу на переключатель сигнала на выключение, если обнаружены нагрузочные токи повреждения. Если система заземлена, то датчик тока должен быть расположен на стороне высокого напряжения всей схемы.
Как сказано выше, система коммутации электрической мощности согласно положениям данного изобретения имеет линию передачи, которая во многом похожа на традиционную схему формирователя импульсов, но имеет совершенно другую функцию и подключение к суммарной схеме.
Далее изобретение будет описано в сравнении с рядом документов текущего уровня техники.
Патент США 3,273,075 описывает традиционные модуляторы на основе формирователя импульсов, которые переключаются мощным транзистором, подключенным последовательно с дросселем насыщения. Когда срабатывает транзистор, резистивно-емкостная цепочка разряжается в первичную обмотку импульсного трансформатора для подачи разогревающего импульса на нагрузку в виде магнетрона и для подготовки его к получению мощного импульса от формирователя импульсов. В указанном документе заявлено, что это хороший способ предотвращения не синхронизированного включения магнетрона. Согласно указанному документу, при замыкании переключателя дросселя насыщения, транзистор подключается непосредственно к стороне высокого напряжения формирователя импульсов, а сторона заземления формирователя импульсов подключается к первичной обмотке импульсного трансформатора. Следовательно, в такой схеме отсутствует временная задержка между транзистором и нагрузкой импульсного трансформатора. Пробой в нагрузке будет немедленно передан от магнетрона на транзистор, приводя таким образом к незамедлительному удвоению тока.
В схеме согласно настоящему изобретению, между переключателем и первичной обмоткой импульсного трансформатора размещена линия задержки, так что пробой в нагрузке не подается на переключатель благодаря временной задержке, обеспечиваемой указанной линией задержки. Это дает достаточно времени, чтобы обнаружить пробой в нагрузке и выключить переключатель до того, как до него дойдут признаки пробоя.
В патенте США 3,273,075 переключатель дросселя насыщения замыкается после того, как первая резистивно-емкостная цепочка получила время для подготовки магнетрона, но при замыкании указанного переключателя дросселя и подаче импульса формирователя импульсов на указанный магнетрон отсутствует временная задержка между нагрузкой (магнетроном) и транзисторным переключателем. Любое замыкание в нагрузке приведет к немедленному росту тока транзисторного переключателя, в отличие от схемы согласно настоящему изобретению.
В патенте США 3,737,679 описан способ использования SCR (тиристора) для разряда формирователя импульсов в первичную обмотку импульсного трансформатора. Основным недостатком SCR-переключателей является то, что они не выдерживают резкого изменения тока во времени и при скорости изменения тока более нескольких сотен ампер в микросекунду могут быть повреждены. Для решения этой проблемы устанавливают дополнительный небольшой формирователь импульсов, который подает на SCR предварительный импульс, а между SCR и основным формирователем импульсов размещают переключатель дросселя насыщения, который задерживает разряд основного формирователя импульсов, пока SCR не будет насыщен током и не станет готов к приему большого импульса от указанного формирователя импульсов. И опять же, при подаче импульса формирователя импульсов отсутствует временная задержка между нагрузкой и SCR, так что любая неисправность в нагрузке (короткое замыкание) приводит к немедленному увеличению тока в SCR. И кроме всего прочего, для SCR-переключателей невозможно электронное отключение.
В отличие от вышесказанного, схема согласно настоящему изобретению обеспечивает временную задержку между переключателем и нагрузкой, позволяя обнаруживать неисправность и безопасно отключать переключатель до того, как дойдут до него последствия неисправности в нагрузке.
Патент США 4,160,214 описывает традиционный модулятор на основе формирователя импульсов, в котором формирователь импульсов разделен на несколько параллельных модулей, в котором каждый модуль управляется SCR-переключателем. Импульсный трансформатор приводится в действие всеми модулями формирователя импульсов, подключенными параллельно первичной обмотке. Срабатывание переключателей, таким образом, благодаря разряду единичных ячеек формирователя импульсов, обеспечивает генерирование итогового сигнала, состоящего из отдельных импульсов заданной длительности. Задержка ячейки формирователя импульсов просто определяет период времени, в течение которого из формирователя импульсов выделяется энергия, и таким образом определяет длительность соответствующего отдельного импульса. Таким образом, задержка формирователя импульсов используется только для определения характеристик самого импульса, а никоим образом не относится к задержке самого генерируемого импульса. Система зарядки представляет собой традиционный резонансный зарядник с последовательно подключенным SCR-переключателем. И опять же, отсутствует защитная временная задержка между переключателями и нагрузкой, и неисправность в нагрузке немедленно сказывается на переключателях. Кроме этого, переключатели в патенте США 4,160,214 представляют собой SCR-переключатели, которые, как уже упоминалось, невозможно отключать электронно, так что длительность импульса определяется задержками модульных ячеек формирователя импульсов и не поддается регулировке. Также можно отметить, что схема по патенту США 4,160,214 сохраняет энергию импульса не в конденсаторе, а в схеме формирователя импульсов. Следовательно, невозможно электронно контролировать длительность импульса путем отключения переключателей.
В патенте США 4,614,878 описан импульсный генератор, в котором энергия импульса хранится не в конденсаторе, а в схеме формирователя импульсов, который включается установленными параллельно полевыми МОП-транзисторами. Импульсный генератор обычно выполняют с возможностью генерирования импульсов длительностью в доли микросекунды, и генерировать импульс длительностью 5 или 10 микросекунд с его помощью будет достаточно неудобно, поскольку он использует импульсный инвертор и импульсный трансформатор на линиях передачи, а не сосредоточенный элемент в виде импульсного трансформатора. Импульс с формирователя импульсов подается на инвертирующий трансформатор для преобразования отрицательного импульса в положительный, и после этого импульс обрабатывается коаксиальным трансформатором для повышения его напряжения перед подачей на нагрузку. В указанном патенте не рассматривалась проблема защиты переключателя.
Далее в контексте силовых модуляторов будет описан ряд примеров выполнения коммутирующей подсистемы с линией задержки.
Фиг.11 изображает принципиальную блок-схему силового модулятора согласно примеру осуществления настоящего изобретения. Источник 16 питания представляет собой традиционный источник питания постоянного тока, который заряжает конденсатор аккумулирования энергии. Имеется силовой переключатель 20, например IGBT-переключатель для подачи энергии конденсатора через схему сглаживания импульса, например через пассивную индуктивно-резистивную схему, и через линию 25 задержки на повышающий импульсный трансформатор 30. В дополнение к основному диоду для ограничения выбросов IGBT, в предпочтительном варианте имеется диод для ограничения выбросов, подключенный к входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи. Таким образом снимается часть нагрузки с основной цепи диода для ограничения выбросов IGBT, поскольку эта цепь более не должна обрабатывать весь остаточный ток, вызванный индуктивным сопротивлением трансформатора. Указанный диод может представлять собой, например, относительно "медленный" диод, такой как HF160 (1600 В, 75 А), шпилечного монтажа. Линия 25 задержки в предпочтительном варианте настроена на такую задержку, которая превышает задержку выключения силового переключателя 20, благодаря чему обеспечивается обнаружение токов повреждения, вызванных коротким замыканием в нагрузке, так что переключатель может быть выключен до того, как до него дойдут большие токи повреждения. Для предотвращения отражений во время импульса задержку обычно делают больше, чем половина длительности импульса.
В данном конкретном примере также используется дополнительная схема сглаживания. Однако подобная функциональность может быть реализована через линию задержки, которая в таком случае имеет две функции: i) задержать энергетический импульс для защиты переключателя и ii) настроить форму импульса заданной длительности, которая задается сигналами включения-выключения, подаваемыми на силовой переключатель. Таким образом, изменение формы импульса линией задержки в основном не затрагивает длительность импульса, но при этом может быть применена, например, для компенсации спада напряжения в ходе разряда конденсатора.
Вернемся к рассматриваемому примеру. Допустим, что линия задержки с задержкой в 4 микросекунды (для импульса длительность 7,5 микросекунд) предназначена для работы с 12-модульным модулятором. Если предполагаемая нагрузка модулятора равна 170 кВ при 120 А, то полное сопротивление нагрузки составляет 1417 Ом. Если импульсный трансформатор имеет коэффициент трансформации 170 кВ/1200 В=142 (к примеру, на первичной обмотке "расщепленного" сердечника выполнено полоборота, а на вторичной обмотке - 71 оборот), то нагрузка относительно первичной обмотки будет равна 1417/(142)2=0,07 Ом. Тогда каждый из двенадцати "независимых" модулей должен питать нагрузку, равную 0,07×12=0,84 Ом. Длительность импульса равна максимум 7,5 микросекунды (на уровне половины амплитуды), так что линии задержки, имеющей время прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях, равное 8 микросекундам, будет достаточно для полной развязки модулей от нагрузки и для того, чтобы сделать настройку модулей не зависящей от рабочей точки. Важно отметить, что независимо от полного сопротивления нагрузки не требуется сглаживание импульса или "настройка" каких-либо компонентов.
Далее для более практического понимания изобретения будут приведены некоторые основные расчеты конструкции примера осуществления линии задержки с полным сопротивлением 0,84 Ом и длительностью 4 микросекунды (время прохождения сигнала в одном направлении).
Вот некоторые основные формулы для линии передачи LC:
где L - индуктивность на участок линии, С - емкость на участок и Т - время задержки при прохождении сигнала по линии в одном направлении (N - число LC-участков в линии). Кроме этих хорошо известных формул следует также привести другие полезные формулы, показывающие, как время нарастания в линии задержки относится к времени задержки:
Здесь tr - время нарастания от 10 до 90 процентов, Td - время задержки и N - количество участков в линии. Это важная формула (получена путем практических измерений множества линий задержки), и именно она должна изначально использоваться при расчете линии задержки. От линии требуется, чтобы она вела себя подобно коаксиальному кабелю и, как правило, не изменяла форму импульса, или, по меньшей мере, длительность импульса, и чтобы обеспечить это, время нарастания в линии должно быть меньше, чем время нарастания всего модулятора, с тем, чтобы линия оказывала минимальное влияние на длительность импульса. Для соблюдения этого требования желательно, чтобы время нарастания в линии составляло 1/2 от времени нарастания модулятора. Ясно, что невозможно сделать линию с нулевым временем нарастания (как в коаксиальном кабеле), поскольку это потребует бесконечного числа линейных участков (опять же, подобно очень длинному кабелю). Но если линия имеет время нарастания, равное 1/2 от времени нарастания всей системы, то время нарастания системы изменится на величину порядка десяти процентов, поскольку хорошо известно, что если импульс с заданным временем нарастания (t) передается через систему передачи (усилитель, трансформатор или линия задержки), которая характеризуется временем нарастания tr, то время нарастания выходного импульса будет описываться формулой:
Итак, если линии характеризуются временем нарастания, равным половине от времени нарастания импульса, то выходной импульс будет иметь время нарастания, равное 1,11 от времени нарастания входного импульса. И если необходимо получить выходное время нарастания, равное 0,75 микросекунды, то время нарастания на входе (модуля) должно составлять 0,68 микросекунды (или менее). Эти данные получены эмпирическим путем на основе данных используемых модуляторов. Соответственно, время нарастания линии задержки равняется половине от приведенного значения, т.е. 0,34 микросекунды. Поскольку необходимо получить задержку в 4 микросекунды, то согласно формуле (2) необходимо, чтобы в линии задержки было 29 участков.
Два уравнения (1) в сумме дают:
Допустим, что Z равно 0,84 Ом, Т - 4 микросекундам, а N равно 29. Таким образом получаем, что индуктивность одного участка L=0.116 мкГн, а С=0.164 мкФ.
Наиболее близкий стандартный конденсатор RIFA имеет емкость 0,15 мкФ (1600 В), поэтому используем это значение. Индуктивность одного участка тогда равна 0,138 мкГн. При 29 участках в линии суммарная индуктивность равняется 29×0,116=3.36 мкГн.
В качестве примера, можно сформировать линию задержки Гиллемина (Guillemin) Е-типа, что является "стандартной" конфигурацией для практически всех формирователей импульсов для радаров со времен Второй Мировой войны. Она представляет собой прямолинейную одиночную катушку (спираль) с отводами, при этом конденсаторы также расположены по прямой линии. Индуктивность, в мкГн, длинной прямолинейной спирали приблизительно описывается уравнением:
Здесь n - количество витков спирали, r - средний радиус спирали в дюймах (2,54 см) и l - суммарная длина спирали в дюймах (2,54 см). Конденсаторы располагаются в две линии, одна из которых содержит 14, а другая 15 конденсаторов, что делается для того, чтобы уменьшить длину модуля задержки за счет ширины и попытаться оптимизировать его габаритные размеры. Конденсаторы (например, RIFA 150 нФ при 1600 В, тип РНЕ 450) располагаются внутри коробки толщиной 0,5 дюйма, шириной 1,25 дюйма и высотой 7/8 дюйма (1,27×3,18×2,22 см). То есть самая длинная из двух линий конденсаторов будет иметь длину 0,5×15=7,5 дюймов (19 см). "Выводы" обмотки разнесены на 1/4 дюйма (0,635 см), поскольку каждая из линий конденсаторов смещена относительно другой на 1/4 дюйма (0,635 см). На фиг.15 приведена схема указанной сборки. Допуская, что концевые участки спирали будут иметь длину 1/4 дюйма (0,635 см) каждый, получаем, что суммарная длина спирали обмотки будет составлять 8 дюймов (20 см).
Подставляя полученные значения в уравнение (5), получаем, что средний радиус в 0,275 дюйма (0,7 см) дает количество витков, равное 60,5. Для удобства расчетов округлим до 60. Обмотка выполнена из провода диаметром 0,050 дюйма (1,27 мм) по стержню диаметром 0,5 дюйма (1,27 см), играющему роль оправки. Если число конденсаторов равно N, то имеется N-1 центральных участков (участков, которые находятся между двумя конденсаторами) обмотки, плюс два концевых участка. Затем обмотка делится на N+1 равных отрезков. Итак, если N=29, то обмотка делится на 30 частей, каждая по 2 оборота.
Фиг.12 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения. В данном примере отсутствует отдельная схема сглаживания импульса, показанная на фиг.11, а вместо этого функция сглаживания интегрирована в линию задержки 25. Для этого линия задержки может быть выполнена так, чтобы полное сопротивление на выходе линии задержки было ниже полного сопротивления на входе линии задержки передачи, для компенсации таким образом спада напряжения при разряде конденсатора аккумулирования энергии. Такое плавное изменение полного сопротивления может быть достигнуто путем размещения внутри обмотки линии задержки проводящего стержня с сужающимся поперечным сечением. В данном примере модулятор снабжен только одним диодом для ограничения выбросов.
Фиг.13 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно примеру предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. По сравнению с силовым модулятором по фиг.12, в схеме поменяны местами переключатель и конденсатор. На данный момент это наиболее предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг.14 изображает принципиальную схему силового модулятора согласно еще одному примеру предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Схема аналогична приведенной на фиг.13. Но вместо двух выходных клемм линии задержки, которые соединены с импульсным трансформатором, как показано на фиг.13, трансформатор непосредственно подключен к заземлению, а клемма высокого напряжения линии задержки подключена к клемме высокого напряжения импульсного трансформатора. Линия задержки также подключена к заземлению.
Настоящее изобретение также применимо в силовых модуляторах и силовых системах с модулями генерирования импульсов на основе нескольких переключателей, в которых указанные модули подключены к импульсному трансформатору и в которых для защиты переключателей используются одна или более линий задержки. Например, трансформатор может представлять собой трансформатор с "расщепленным" сердечником при конфигурации схемы в соответствии с патентом США 5,905,646, также опубликованным как международная заявка PCT/SE97/02139, номер международной публикации WO 98/28845 А1, например, с использованием нескольких независимых генерирующих импульсы модулей, причем их конденсаторы аккумулирования энергии электрически разъединены, что сделано для того, чтобы гарантировать равный ток в первичных обмотках и в импульсных переключателях. Или же при конфигурации схемы согласно патенту США 6,741,484, также опубликованному как международная заявка по PCT/SE02/02398, номер международной публикации WO 03/061125 А1, с использованием нескольких генерирующих импульсы модулей, каждый из которых питает все магнитные сердечники. Возможно размещение схемы задержки между каждым импульсным переключателем и первичной точкой соединения, чтобы обеспечить обнаружение короткого замыкания в нагрузке и для того, чтобы выключить соответствующий переключатель до того, как перегрузка по току разрушит его.
Фактически, идея настоящего изобретения относительно защиты от неисправности применима не только в силовых модуляторах, а во всех переключателях, которые характеризуются отличной от нуля задержкой выключения, а не только в твердотельных переключателях, таких как IGBT. Также идея данного изобретения применима во всех применениях твердотельных переключателей при использовании их при коммутации электрической мощности, включая локомотивы, автомобили, конвейеры, эскалаторы и лифты, системы кондиционирования воздуха, бытовые электроприборы. Таким образом, данная идея является весьма перспективной и широко применимой.
Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения приведены только в качестве примеров, и следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается ими. В объем охраны изобретения также входят любые дальнейшие модификации, изменения и усовершенствования, которые не нарушают описанных базовых принципов изобретения и формулы изобретения, приведенной далее.
1. Система коммутации электрической мощности, содержащая:
силовой вход и силовой выход;
переключатель для подачи энергетического импульса с силового входа на силовой выход; и
линию передачи, включенную между указанным переключателем и силовым выходом для передачи указанного энергетического импульса с задержкой для защиты переключателя от нагрузочного тока повреждения.
2. Система по п.1, также содержащая:
датчик для обнаружения указанного нагрузочного тока повреждения; и
средства для активной защиты переключателя в ответ на обнаружение указанного тока повреждения.
3. Система по п.1, в которой указанные средства активной защиты переключателя выполнены с возможностью активного выключения указанного переключателя в ответ на обнаружение нагрузочного тока повреждения.
4. Система по любому из пп.1-3, в которой указанный переключатель, предназначенный для подачи энергетического импульса, представляет собой переключатель с управляемым электронным включением и выключением, а указанная линия передачи обеспечивает задержку, превышающую задержку выключения указанного переключателя.
5. Система по п.4, в которой указанная задержка превышает сумму задержки выключения переключателя и времени спада тока.
6. Система по п.4, в которой указанная задержка больше половины длительности импульса.
7. Система по п.4, также содержащая средства для электронного управления включением указанного переключателя для начала подачи указанного энергетического импульса, и его выключением для прекращения подачи указанного энергетического импульса.
8. Система по п.4, в которой указанный переключатель является твердотельным переключателем.
9. Система по п.1, в которой указанная линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную (LC) линию передачи.
10. Система по п.9, в которой указанная линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную схему Гиллемина Е-типа.
11. Система по п.9, также содержащая диод для подавления выбросов, подключенный к входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи.
12. Система по п.1, в которой указанная линия передачи выполнена в виде неоднородной линии передачи для обеспечения требуемой формы импульса.
13. Система по п.12, в которой полное сопротивление на выходной стороне линии задержки отличается от полного сопротивления на входной стороне указанной линии задержки, так что достигается плавное изменение полного сопротивления в линии задержки.
14. Система по п.13, в которой полное сопротивление на выходной стороне линии задержки ниже полного сопротивления на входной стороне указанной линии задержки для компенсации спада напряжения в ходе разряда конденсаторного источника мощности.
15. Система по п.13 или 14, в которой указанное плавное изменение достигается путем введения проводящего стержня внутрь обмотки линии задержки, причем указанный проводящий стержень имеет сужающееся поперечное сечение.
16. Система по п.1, в которой полное сопротивление указанной линии передачи согласовано с нагрузкой, с которой предполагается использовать указанную систему коммутации мощности.
17. Система по п.1, также содержащая схему ограничения напряжения, размещенную на выходной стороне указанной линии передачи для защиты от обрыва цепи в нагрузке.
18. Система по п.1, в которой указанная линия передачи имеет две выходные клеммы для подключения к нагрузке.
19. Система по п.18, в которой одна из указанных выходных клемм подключена к заземлению, а другая выходная клемма высокого напряжения предназначена для соединения с клеммой высокого напряжения на стороне нагрузки.
20. Силовая электрическая система, содержащая:
источник мощности;
переключатель для подачи энергетического импульса от указанного источника мощности на силовой выход; и
линию передачи, включенную между указанным переключателем и силовым выходом для передачи указанного энергетического импульса с задержкой для защиты переключателя от нагрузочного тока повреждения.
21. Система по п.20, также содержащая:
датчик для обнаружения указанного нагрузочного тока повреждения; и
средства для активной защиты переключателя в ответ на обнаружение указанного тока повреждения.
22. Система по п.21, в которой указанные средства активной защиты переключателя выполнены с возможностью активного выключения указанного переключателя в ответ на обнаружение нагрузочного тока повреждения.
23. Система по любому из пп.20-22, в которой указанный переключатель, предназначенный для подачи энергетического импульса, представляет собой переключатель с управляемым электронным включением и выключением, а указанная линия передачи обеспечивает задержку, превышающую задержку выключения указанного переключателя.
24. Система по п.23, в которой указанная задержка превышает сумму задержки выключения переключателя и времени спада тока.
25. Система по п.23, в которой указанная задержка превышает половину длительности импульса.
26. Система по п.23, также содержащая средства для электронного управления включением указанного переключателя, для начала подачи указанного энергетического импульса, и его выключением для прекращения указанного энергетического импульса.
27. Система по п.23, в которой указанный переключатель является твердотельным переключателем.
28. Система по п.20, в которой указанная линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную (LC) линию передачи.
29. Система по п.26, в которой указанная линия передачи представляет собой индуктивно-емкостную схему Гиллемина Е-типа.
30. Система по п.28, также содержащая диод для подавления выбросов, подключенный к входу линии передачи параллельно конденсатору индуктивно-емкостной линии передачи.
31. Система по п.20, в которой указанная линия передачи выполнена в виде неоднородной линии передачи для обеспечения требуемой формы импульса.
32. Система по п.31, в которой полное сопротивление на выходной стороне линии задержки отличается от полного сопротивления на входной стороне указанной линии задержки, так что достигается плавное изменение полного сопротивления в линии задержки.
33. Система по п.32, в которой указанный источник мощности является конденсаторным источником мощности, а полное сопротивление на выходной стороне линии задержки ниже полного сопротивления на входной стороне указанной линии задержки для компенсации спада напряжения в ходе разряда конденсаторного источника мощности.
34. Система по п.32 или 33, в которой указанное плавное изменение достигается путем введения проводящего стержня внутрь обмотки линии задержки, причем указанный проводящий стержень имеет сужающееся поперечное сечение.
35. Система по п.20, в которой полное сопротивление указанной линии передачи согласовано с нагрузкой.
36. Система по п.20, также содержащая схему ограничения напряжения, размещенную на выходной стороне указанной линии передачи для защиты от обрыва цепи в нагрузке.
37. Система по п.20, в которой указанная линия передачи имеет две выходные клеммы для подключения к нагрузке.
38. Система по п.37, в которой одна из указанных выходных клемм подключена к заземлению, а другая выходная клемма высокого напряжения предназначена для присоединения к клемме высокого напряжения импульсного трансформатора.
39. Система по п.20, также содержащая повышающий трансформатор напряжения, размещенный между указанной линией передачи и нагрузкой.
40. Система по п.39, в которой указанный трансформатор является трансформатором с "расщепленным" сердечником.
41. Система по п.20, которая представляет собой силовой модулятор, предназначенный для генерирования импульсной выходной мощности.
