具有受控相角转换的静态转换开关的制作方法

具有受控相角转换的静态转换开关


背景技术：

1.本发明总体上涉及一种用于将功率从一个电源转换到另一电源以对电气负载供电的静态转换开关。
2.静态转换开关在工业中用于控制对关键电气部件的功率供应。特别地，静态转换开关用于电气负载，如需要稳定高质量电气供应的数据中心。
3.图1中示出了静态转换开关10的示例。如图所示，两个不同电源12a、12b被耦合到静态转换开关10。静态转换开关10的输出被耦合到电气负载14。通常，输出被直接连接到包括变压器16的配电单元(pdu)14。最终的电气负载可以是包括计算机服务器机架的数据中心30(图2)。然而，应当理解的是，静态转换开关10也可以用于向其他类型的电气负载供电。
4.静态转换开关10可以包括各种传感器18a、18b、20a、20b，以监测第一电源12a和第二电源12b的电气特性、以及功率输出。例如，可能需要监测电源12a、12b中的每个电源的电压18a、18b并且监测输出的电流20a和电压20b。静态转换开关10还包括与电源12a、12b中的每个电源相关联的一个或多个开关22a、22b。这允许静态转换开关10从电源12a、12b中的任何一个电源向输出供电。例如，第一电源12a可以是优选电源12a(例如，电网)，而第二电源12b可以是备用电源12b(例如，发电机)。在正常使用中，可以通过闭合第一开关22a和断开第二开关22b(以将第二电源12b断开连接)从第一电源12a向负载14供电。在第一电源12a遭受性能降低(例如，电压下降)的情况下，可以通过断开第一开关22a和闭合第二开关22b来将电源转换到第二电源12b。因此，尽管在电源12a、12b中的一个电源中可能发生性能下降事件，但是电气负载14仍然被提供有恒定电源。


技术实现要素：

5.描述了一种用于使在从一个电源到另一电源的功率转换期间的电气中断最小化的静态转换开关。系统感测要被连接到电气负载的电源的相角并且确定哪相的相角最接近相角目标。然后使用开关将最接近的相连接到预选相输出。其他相在最接近的相之后按相序通过开关被连接到预选相输出。
附图说明
6.通过结合附图阅读以下描述，可以更全面地理解本发明，在附图中：
7.图1是传统静态转换开关的示意图；
8.图2是具有相角模块的静态转换开关的示意图；
9.图3a是相角模块的一种切换布置的示意图；
10.图3b是相角模块的另一切换布置的示意图；
11.图3c是相角模块的另一切换布置的示意图；
12.图4是两个电源的相角以及两个电源之间的重新配置的相角匹配的示意图；
13.图5是示出三相电源中的相角变化的图；
14.图6是静态转换开关的相角开关的备选实施例；以及
15.图7是静态转换开关的相角开关的另一备选实施例。
具体实施方式
16.图2中示出了三相静态转换开关24的示例。通常，静态转换开关24被设计为在电源12a、12b的一个电气周期内完成两个电源12a、12b之间的切换事件。这是合乎需要的，以便在对电气负载14、30的影响最小的情况下提供高质量的恒定电源。为了如此快速地实现切换事件，通常需要使用固态开关22a、22b来执行切换事件，因为固态开关22a、22b可以在少于一个电气周期内接通和关断。可以使用的固态开关的示例包括集成栅极换向晶闸管(igct)、反向阻断集成栅极换向晶闸管(rb-igct)、栅极关断晶闸管(gto)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)或场效应晶体管(fet)。在多相静态转换开关24的情况下，主开关22a、22b中的每个主开关将由多个个体开关26组成，每相a、b、c具有至少一个开关26。一对反并联晶闸管26特别适用于与相a、b、c相关联的每个开关26。因为电源12a、12b是ac电源，所以每个开关26通常包括反并联布置的两个开关。然而，在本说明书中，每对反并联晶闸管26被视为单个开关26，因为它们通常一起闭合和断开。静态转换开关24还可以包括一系列手动开关28，该一系列手动开关28主要在维护期间使用以隔离电路的部分。
17.针对第一电源12a和/或第二电源12b通常优选的是包括不间断电源(ups)32以提供对原始电源12a、12b的电气特性的控制并且管理原始电源12a、12b的功率下降或损耗。如上所述，输出通常被耦合到pdu 14的变压器16，并且最终电气负载30通常是具有计算机服务器机架的数据中心30。
18.虽然传统的静态转换开关10可以提供两个电源12a、12b之间的快速转换，但是担心第一电源12a与第二电源12b之间的相角差可能会在从一个电源12a到另一电源12b的转换期间引起不希望的电流变化。图4的左侧示出了两个电源12a、12b的可能的相角的示例。如图所示，在电源12a、12b之间的切换事件时，第一电源12a的相a可以是大约0
°
。然而，此时，第二电源12b的对应相a可能处于大约160
°
。如果电源突然从第一电源12a转换到第二电源12b，具有所示出的160
°
相角差，则可能发生不期望的电流中断。一个备选方案可以是，当第一电源12a的相角如图所示处于0
°
时断开用于第一电源12a的第一开关22a，但是等待闭合用于第二电源12b的第二开关22b直到相a的相角达到0
°
以匹配第一电源12a的关闭。然而，在第二电源12b的相a再次达到0
°
之前，这将需要200
°
(160
°
200
°
＝360
°
＝0
°
)的延迟。如果在切换事件期间能够在更短的时间段内实现第一电源12a和第二电源12b的相角之间的更紧密的匹配，则将是合乎需要的。
19.再次参考图2，可能需要为传统的静态转换开关10提供相角模块34。在这种情况下，已经在现场的静态转换开关10可以适于提供受控相角转换，而无需更换整个静态转换开关10。然而，下面还应当理解和解释，如果需要，相角模块34的结构可以直接并入静态转换开关24内。
20.在图2的实施例中，模块34可以包括被耦合在第一组功率输入38与一组功率输出40之间的第一组开关36a。同样，第二组开关36b被耦合在第二组功率输入38与该组功率输出40之间。第一组功率输入38和第二组功率输入38各自包括用于相应电源12a、12b的每相a、b、c的一个输入38。即，第一组功率输入38具有用于第一电源12a的相a、b、c的三个输入38，并且第二组功率输入38也具有用于第二电源12b的相a、b、c的三个输入38。以类似的方
式，每组功率输出40包括用于电气负载14的每相a、b、c的一个输出40，使得该组输出40具有用于相a、b、c的三个输出40。
21.第一组开关36a和第二组开关36b可以各自被布置在多个开关子集42中。如图2所示，每个开关子集42可以具有多个开关44，该多个开关44的数目对应于由电源12a、12b供电并且从静态转换开关24输出的相的数目。因此，在所示示例中，每个子集42具有被连接到相应电源12a、12b的相a的一个开关44、以及被连接到相应电源12a、12b的相b的另一开关44、以及被连接到相应电源12a、12b的相c的另一开关44。子集42中的开关44的输出都被连接到静态转换开关输出的单个相。即，虽然第一子集42中的三个开关44分别被连接到相a、b、c，但第一子集42中的所有三个开关44被连接到输出的相a。同样，第二开关子集42被连接到输出的相b，尽管第二子集42中的每个开关44在输入侧分别被连接到相a、b、c。以相同的方式，第三开关子集42在输出侧被连接到相c并且在输入侧被连接到相a、b、c。注意，相角模块开关44可以是上述用于静态转换开关模块10的任何类型的开关26。
22.参考图2，当发生第一电源12a与第二电源12b之间的切换事件时，功率转换控制器46使用传感器48a来确定第一电源12a的相中的至少一相(例如，相a)的相角。控制器46还使用另一传感器48b来确定第二电源12b的至少一相的相角。控制器46然后确定第二电源12b的哪相具有最接近第一电源12a的目标相的相角。也可以使用其他相目标，诸如用户指定的相角目标。控制器46然后闭合开关子集42中的开关44以便将最紧密地匹配的输入相连接到所选择的输出相。
23.相角模块34的开关44的可能的切换布置在图3a至图3c中示出。在图3a中，由控制器10确定输入的相a与输出的相a的目标的相角最紧密地匹配。在这种情况下，第一子集42中的第一开关44闭合以将相a输入连接到相a输出。后续相优选地按相序被连接到输出。因此，第二子集42中的第二开关44闭合以将相b输入连接到相b输出，并且第三子集42中的第三开关44闭合以将相c输入连接到相c输出。在图3b中，由控制器10确定输入的相b与输出的相a的目标的相角最紧密地匹配。在这种情况下，第一子集42中的第二开关44闭合以将相b输入连接到相a输出。后续相优选地按相序被连接到输出。因此，第二子集42中的第三开关44闭合以将相c输入连接到相b输出，并且第三子集42中的第一开关44闭合以将相a输入连接到相c输出。在图3c中，由控制器10确定输入的相c与输出的相a的目标的相角最紧密地匹配。在这种情况下，第一子集42中的第三开关44闭合以将相c输入连接到相a输出。后续相优选地按相序连接到输出。因此，第二子集42中的第一开关44闭合以将相a输入连接到相b输出，并且第三子集42中的第二开关44闭合以将相b输入连接到相c输出。
24.图4图示了在切换事件期间如何使用相角模块34来更紧密地匹配相角。如图4的左侧所示，并且如上所述，第一电源12a和第二电源12b的对应相的相角可以彼此显著不同。即，第一电源12a的相a的相角约为0
°
，而第二电源12b的相a的相角约为160
°
。然而，在该示例中，如果使用第二电源12b中的相c代替相a使用开关44重新配置相连接，则第二电源12b的所得到的相a将具有大约40
°
的相角(图4的右侧)，该相角更接近为0
°
的目标。
25.图5进一步图示了相的变化相角和相目标如何用于选择将哪些相输入连接到相输出。如图所示，每相a、b、c随时间在0
°
到360
°
之间变化，每相a、b、c与相邻相a、b、c间隔120
°
。如上所述，可以使用各种类型的目标来确定哪些输入相与对应输出相匹配。例如，在图5中，可能的相角范围(360
°
)可以被分成10个区域，每个区域覆盖16
°
。用户然后可以指定第二电
源12b应当在哪个区域内开启。因此，例如，如果用户选择区域6(50)进行转换，则进入区域6(50)的第一输入相是相b。因此，相角模块开关44可以被配置为将输入相b连接到输出相a(图3b)。虽然在确定哪个输入相最接近区域6(50)之后可以立即闭合开关44，但是优选的是，延迟开关44的闭合直到相b实际在区域6(50)内。同样，其他开关44可以立即闭合以将输入相c连接到输出相b并且将输入相a连接到输出相c。然而，可能期望延迟用于输入相c的开关44的闭合直到输入相c实际进入区域6(50)。类似地，可能需要进一步延迟用于输入相a的开关44的闭合直到输入相a实际进入区域6(50)。也可能需要其他类型的范围来设置相角目标。
26.鉴于以上描述，各种备选实施例是可能的。例如，虽然在从第一电源12a到第二电源12b的功率转换的上下文中描述了上述用于匹配输入相和输出相的相角的切换事件，但是也可以使用相同的相角匹配切换布置用于从第二电源12b到第一电源12a的返回切换事件。在该切换事件中，然后将使用第一电源12a的传感器48a来确定第一电源12a的相角以确定哪些输入相与对应输出相匹配。应当理解，本文中所指的传感器18、20、48不必是物理上分离的传感器，而是还可以代表传感器输入参数、逻辑确定等。
27.如图6所示，在返回切换不需要相角匹配电路系统的情况下，相角开关44可以仅被包括在第二电源12b侧并且单个开关26可以被包括在第一电源12a侧。
28.此外，在没有必要改装具有相角匹配能力的现有静态转换开关10的情况下，可以用相角开关44代替主静态转换开关26，使得相角开关44提供电源12a、12b之间的主切换事件。
29.图7图示了其中机电开关52可以用于相角匹配以降低成本或提供其他优点的实施例。机电开关52通常不用于静态转换开关10，因为这样的开关52的切换时间很慢。然而，如果电源传感器48a、48b用于在切换事件发生之前监测第一电源12a与第二电源12b之间的相移，则机电开关52可以根据监测到的相移切换为匹配输入和输出相。如果相移随时间变化以使得不同切换布置提供更好的相角匹配，则可以重新配置开关52。机电开关52的每个子集42的输出被连接到控制开关26，控制开关26是如上所述的固态继电器。因此，在切换事件期间，控制开关26可以用于在一个电气周期内转换功率，其中机电开关52已经提前配置以匹配相角。
30.虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明不限于此，并且可以在不脱离本文中的本发明的情况下进行修改。虽然本文中描述的每个实施例可能仅是指某些特征并且可能不具体地是指关于其他实施例描述的每个特征，但是应当认识到，除非另有说明，否则本文中描述的特征是可互换的，即使没有提及特定特征。还应当理解，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望通过本发明的每个实施例来实现所有描述的优点。本发明的范围由所附权利要求限定，并且在权利要求的含义内的所有装置和方法(无论是字面上的还是等效的)都旨在被包含在其中。