自供電的柵驅動器系統的制作方法

專利名稱：自供電的柵驅動器系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及功率控制系統領域，尤其涉及在休止期間在自供電柵驅動器系統中維持電荷的技術。
背景技術：
一般而言電機控制器，更籠統而言電控制器，通過限制從電源到達電機或其它負載的功率來工作。一些電機控制器通過間歇地在電源與電機之間傳導電流來限制傳遞給電機的功率。這些電機控制器通常耦合到正弦交流電源，并在正弦的每個周期的一部分里傳導電流。相應地，為限制傳遞給電機的功率，電機控制器在每個周期的一部分里可不進行傳導。通常，電機控制器在其間不傳導電流的持續時間是可調的。因此，通過調整此不傳導時段的持續時間，電機或其它某個負載的操作即可被控制。
一些電機控制器通過一對可控硅整流器(SCR)傳導電流，來選擇性地發送功率。如本領域中所公知的，SCR是一種包括由柵信號控制的整流器的固態開關。因此，當由柵信號開啟時，SCR允許電流從其陽極流向其陰極，但不允許反方向的流動。一旦被開啟，SCR通常保持開啟狀態直至柵信號被消除，并且電流下降到近乎為零。在關斷狀態，SCR通常在任一方向上都不傳導電流。
通過在適當的時候施加柵信號，電機控制器就可調節傳遞給負載的功率。通常，電機控制器將使用以反向平行關系連接在電源與負載之間的一對SCR(對于每個功率相位)。因此，在調節交流電源時，一個SCR在電壓/電流周期的正部分期間將被正向偏置，而另一個SCR在電壓/電流周期的負部分期間將被正向偏置。電機控制器可通過對任一正向偏置SCR施加柵信號來在電源與負載之間傳導電流。類似地，電機控制器可通過不開啟正向偏置SCR、或可通過在SCR變為正向偏置后的某個時間開啟該正向偏置SCR來阻止電流流動。因此，周期里SCR既被關斷又被正向偏置的時間越長，電流可在電源與電機之間通過的時間就越短，因為反向偏置SCR將不傳導電流。因此，通過延長或縮短每個周期里SCR變為前向偏置的時刻與其被開啟的時刻之間的時間就可控制負載的操作。
通常，電機控制器包括用于開啟諸SCR的電路。電機控制器可包括用于向SCR的柵電極傳遞小電流的驅動器。該驅動器可定時到柵電極的電流脈沖，以調節傳遞給電機的功率。為了傳遞更多的功率，驅動器在開啟SCR之前、該SCR變為正向偏置后將延遲較短的時間。類似地，為了減少傳遞給電機的功率，驅動器在開啟SCR并允許電流通過之前、該SCR變為正向偏置之后將延遲較長的時間。每個驅動器都包括用于確定何時開啟SCR的電路。通常，電機控制器對每個SCR都使用一個驅動器。因此，調節交流功率的單個相位的電機控制器通常使用兩個驅動器，而三相控制器包括六個驅動器。
為這些驅動器的操作供電帶來了難題。這些驅動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，保持驅動器與系統的其它部件電絕緣可能是很重要的。一些系統對每個驅動器使用單個電源。但是，每個驅動器的專用電源可能會增加系統成本、系統大小、以及故障組件的數目。此外，電機控制器常常使用大量驅動器。例如，如上所述，調節來自三相交流電源的功率的電機控制器可使用六個驅動器，對每個相位兩個SCR各一個驅動器。類似地，為調節來自更高電壓電源的功率，電機控制器可對每個相位使用兩對或多對SCR。因此，每個相位三對SCR的三相系統可使用18個SCR和18個驅動器。
因此，隨著開關和驅動器的數目增長，用專用電源向每個驅動器供電變得越來越無法令人滿意。
設計者轉向自供電的柵驅動器系統(SPGDS)來避免這些問題，并獲得了一些成功。通常，SPGDS從驅動負載的電源捕捉能量(即，線路功率)。在SPGDS內，經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上的電壓差動來抽吸電流和存儲電荷。然后電容器上的電荷可被用來向驅動器供電。用來給電容器充電的電壓差動通常在SCR工作期間產生。因為SCR間歇地在電源與負載之間傳導電流，所以在諸SCR上可能會形成電壓差動。優越之處在于，自供電系統可避免與每個驅動器的專用電源相關聯的絕緣問題。并且，與對每個驅動器使用專用電源的系統相比，自供電系統中針對向驅動器供電的組件的成本可能較低。
但是，SPGDS還需要改進。當從某些操作模式轉換時，電容器可能沒有足夠的電荷來向驅動器供電。由此，因為電容在數個周期上充電，所以被重新激活的SPGDS在傳導電流之前可能會顯現出延遲。例如，在全速操作期間，一些系統繞過SCR而從電源直接向電機傳遞功率。在諸SCR上沒有電壓差動的情況下，電容器將會放電，從而使得驅動器處于沒有電源的狀態。因此，當這一系統從全速操作轉換到SPGDS限制傳遞給電機的功率的模式時，向驅動器供電的電容器可能會缺乏足夠的電荷來重新啟動驅動器。在電容器建立足以向驅動器供電的電荷的時候，SCR可在數個周期里保持關斷狀態。類似地，在系統啟動期間，由于諸SCR上沒有電勢，所以電容可能已被放電。因此，在從這些休止期之一轉換期間，系統可能有數個周期沒有響應，因為電容在重新充電。在此延遲期間，SCR可保持關斷狀態，從而導致到達電機的功率的陡變。這些突變可能會導致電流和轉矩浪涌，從而造成系統內各種組件的損耗。
本領域中需要一種在休止期間維持這些SPGDS的電荷的系統。特別需要在不產生與耦合到每個驅動器的個體電源相關聯的成本的情況下實現這一系統。

發明內容
根據一個示例性實施例，本發明提供一種用于將SPGDS保持在就緒狀態的預充電電路。該預充電電路通過變壓器耦合到控制電源以接收功率。變壓器在預充電電路里的電流回路中感生出交變電流。流過電流回路的交變電流在環繞該電流回路的眾多線圈中感生出電流。這些線圈通過絕緣層與電流回路電絕緣。線圈內所感生出的電流被整流并傳遞給SPGDS中的能量存儲裝置。優越之處在于，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有電流流動。與此同時，預充電電路向SPGDS傳遞涓流電荷，從而即使在SPGDS處于休止狀態時也能使SPGDS保持于就緒狀態。


在參考附圖閱讀以下詳細說明之后，本發明的這些及其它特征、方面和優點將能更好地理解，在所有附圖中相同的標記表示相似的部分，其中圖1是包括從預充電電路接收電荷的SPGDS的示例性自動化系統的圖示；圖2是圖1系統的更為詳細的圖示，其中預充電電路塊用預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中使用的耦合到一對線圈的電流回路的剖面立體圖；圖4是根據本發明各方面的耦合到預充電電路的SPGDS的電路圖；
圖5是包括控制器和遠程接口的示例性自動化系統的圖示；圖6是配置有三相交流電源的示例性自動化系統的圖示；以及圖7是使用與單相高壓電源串聯的層疊SPGDS的示例性自動化系統的圖示。
具體實施例方式
以下給出的實施例呈現了對SPGDS的改進。如上所述，在常規的SPGDS中，當從SPGDS處于休止的操作模式轉換時，針對向驅動器供電的電路、自供電電路和電容器可能響應慢于預期。在休止期間，向驅動器供電的電容器可能會放電，從而在SPGDS被激活后的前幾個周期期間電容器重新充電的時候造成驅動器處于沒有電源的狀態。這種充電延遲在SPGDS以受控方式減緩全功率操作的負載的慢停操作期間證明是有問題的。通常，全功率操作的負載繞過SPGDS直接從電源接收電流。當SPGDS重新啟用時，在向驅動器供電的電容器重新充電的時候SCR可在數個周期里保持不傳導的狀態。一旦驅動器從電容器接收到充足的功率，驅動器就可開始向SCR的柵電極傳遞脈沖信號，以允許電流流動。從全電流到無電流然后回到穩定電流的突變可能會產生電流和轉矩浪涌，這會加劇受控設備上的損耗。根據本發明的一種用于消除這些轉換的影響而不會再次引入與每個驅動器的專用電源相關聯的成本和問題的系統將可改進SPGDS。
本技術的各個實施例可解決SPGDS的這些問題，同時保留SPGDS優于對每個驅動器使用專用電源的系統的許多優點。以下將描述數個這樣的實施例。為簡化對本技術的解釋，圖1示出使用單個SPGDS的示例性實施例，該SPGDS針對調節從單相交流電源提供給諸如電動機等負載的功率。圖2-4用電路圖和一個組件的剖面來更詳細地解釋圖1的實施例。后面的附圖將通過引入針對三相交流電源的示例性實施例和通過串聯地層疊SPGDS來控制高壓電源的示例性實施例來增加復雜性。
參看第一實施例，圖1示出根據本技術的示例性自動化系統10。圖1的自動化系統10可例示任意數目的用于控制某個負載的操作的系統。在一個實例中，自動化系統10可例示使用交流到交流電機控制的系統，諸如針對抽吸液體、操作傳送帶、空氣煤氣處理或是例如其它形式的工廠自動化的自動化系統。
自動化系統10可包括預充電電路12，用于將SPGDS 14維持在就緒狀態。在休止期間，當存儲在SPGDS 14內的能量否則會消散的時候，預充電電路12可傳遞小電流以將SPGDS 14保持在響應就緒狀態，從而在重新激活時將不會有充電延遲。針對傳遞和存儲該能量的組件將在以下更加詳細地描述。優越之處在于，單個預充電電路12的某些實施例可傳遞足以將帶兩個驅動器的SPGDS 14維持在就緒狀態的電流。事實上，如在后續附圖中將示出的，單個預充電電路12可傳遞足以將多個SPGDS 14維持在就緒狀態的電流。但是，本技術并不僅限于使用單個預充電電路12的實施例，因為其它實施例可使用例如多個預充電電路12來提供過剩的電流源。
SPGDS 14可連接到預充電電路。SPGDS 14可包括諸如電容器、電感或電池等某種能量存儲裝置，用于從預充電電路接收能量。此外，SPGDS 14可包括自供電電路，用于在SPGDS 14操作時捕捉能量并向能量存儲裝置充電。例如，自供電電路可利用SPGDS 14上的電壓差動來向電容器充電。為了控制通過SPGDS 14的電流，它可包括某種可變傳導裝置，諸如晶閘管、可控硅整流器、金屬氧化物半導體選通晶閘管、閘流管、晶體管、柵關斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、金屬氧化物半導體場效應晶體管、場控二極管、結型場效應晶體管、靜電感應晶體管或是雙極結型晶體管。示例性SPGDS 14的電路圖在圖4中示出，并在以下進行更加詳細的討論。
SPGDS 14在處于激活狀態時可控制源16與負載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驅動的電流以正弦方式按方波、三角波定向交變，以不規則方式、或以交變電流的任何其它形式定向交變。負載可包括適用于利用由源驅動的電流的任何裝置。例如，負載18可包括電感應電機、加熱元件、電化學處理或是電弧。如以下將更詳細地描述的，SPGDS 14可通過選擇性地允許電流在源16與負載18之間流動來控制負載18的操作。
為了抽吸功率，預充電電路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。因為預充電電路12對控制電源20的要求比負載18對源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，預充電電路12可向SPGDS 14連續傳遞小量電荷，以確保SPGDS14內為其操作供電的組件維持所存儲電能的充足儲備，以便于能無延遲地重新啟動SPGDS 14。當被激活時，SPGDS 14仍可從預充電電路12抽吸功率，但是自供電電路將通過利用因SPGDS 14間歇地中斷源16與負載18之間的電流流動而產生的電壓差動來抽吸SPGDS 14的大量功率。但是，應當注意，本技術的應用并不限定于對SPGDS 14連續充電的預充電電路12，因為在一些實施例中預充電電路12可間歇地操作。當SPGDS 14處于休止狀態時，由預充電電路12提供的電荷可防止向SPGDS供電的組件失去電能。
優越之處在于，預充電電路12可在保持SPGDS電絕緣的同時從控制電源20向SPGDS 14發送功率。電絕緣可能是很重要的，因為SPGDS 14可能要經受來自源16和負載18的比控制電源20的峰值電壓大得多的電壓。因此，預充電電路12可保持SPGDS 14電絕緣。
為了更詳細地說明預充電電路12，圖2示出了自動化系統10內所包括的示例性預充電電路12的電路圖。為了防止電流在SPGDS 14與控制電源20之間流動，預充電電路可包括流過線圈24A和24B的絕緣電流回路22。電流回路22可以是長度足以貫穿線圈的電線。如圖3中更加詳細地示出的，線圈24A和24B可被環繞在電流回路22絕緣體上，以防止電流從線圈24A和24B流到電流環路22。但是由于它們相互靠近，流過電流回路22的交變電流可能會在線圈24A和24B中感應出電流。可利用該感生電流來維持SPGDS 14中的電荷。
一對橋式整流器26A和26B可對線圈24A和24B中感生出的交變電流進行整流。橋式整流器26A和26B分別被設置在SPGDS與線圈24A和24B之間。橋式整流器將線圈24A和24B內的交變電流轉換為單向電流，該單向電流可被用來向SPGDS內的存儲電容(見例如圖4)充電。如本領域中公知的，橋式整流器可包括橋型布置的四個二極管(例如，DA1-DA4)，用于實現整片整流。但是應當注意，根據本技術的其它實施例可使用諸如半波整流器等其它裝置來對來自線圈的電流進行整流。本實施例在SPGDS 14內每驅動器包括一個線圈和橋式整流器(見圖2或4)。但是應當注意，根據本技術的其它實施例可包括更少或更多的線圈或整流器，因為驅動器的功率要求會變化。
預充電電路12可包括變壓器28用于逐步降低來自控制電源20的電壓，因為電流回路22的阻抗可能非常低。變壓器28可以是例如適用于將來自控制電源的電壓逐步降低至0.6伏的簡單線路變壓器。但是，根據本技術的其它實施例可使用輸出不同電壓的變壓器。
電流回路22的長度和規格對于確保在線圈24A和24B中感生出充足的電流可能是很重要的。在一些實施例中，電流回路使用長度在10到30英尺之間的4號或8號規格的電線。例如，某些實施例可使用6號規格電線的21英尺長的電流回路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內大約50安培的交變電流。圍繞此電流回路22設置的線圈24A和24B可包括適當數目的繞組，以便于在休止期間向SPGDS 14內的電容器供電。
本實施例使用一對線圈回路24A和24B與一對橋式整流器26A和26B來向使用兩個驅動器的SPGDS(見圖4)充電。因此，本實施例對每個驅動器使用一個線圈和一個橋式整流器。但是應當注意，其它實施例可使用按其它比率配比的組件。例如，根據本技術的一些實施例可使用單個線圈和整流器來支持多個驅動器，使用多個線圈和多個整流器來支持單個驅動器，或是使用耦合到單個整流器和驅動器的多個線圈。
優越之處在于，通過使用電流回路22，就可利用單個變壓器28的輸出來向多個SPGDS 14內的多個驅動器供電。如后續附圖所示，通過向預充電電路12增加線圈回路，諸如線圈回路24A和24B，單個變壓器28可支持附加的SPGDS 14及其相關聯的驅動器。
但是，在討論使用多個SPGDS 14的系統之前，先進一步詳細描述環繞電流回路22的線圈24A和24B的布置。圖3示出環繞電流回路22布置的線圈24A和24B的剖面立體圖。如前所述，電流回路22內的交變電流會在線圈24A和24B中感生出電流，該電流可被用來向休止期間的SPGDS 14充電。為此目的，在本實施例中，線圈24A和24B各包括一個螺旋磁芯35A和35B，它們分別環繞電流回路22布置。與此同時，電流將不會從調節高壓功率的SPGDS 14向在低得多的電壓下操作的電流回路22流動。
電流回路22可包括導電鐵芯30，它具有一絕緣層32用于防止電流通過線圈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。但是應當注意，其它實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度的任何其它材料。
為進一步將電流回路22的導電鐵芯30與線圈24A和24B隔絕，預充電電路12可包括環繞電流回路導體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度的任何其它材料制成。為增大其機械強度，絕緣套34可具有加強筋。優越之處在于，在穿過線圈24A和24B安裝電流回路22時，絕緣套34可保護較柔軟的絕緣體不受機械損傷。此外，絕緣套34可便于電流回路22的移除和替換。
為更詳細地描述示例性SPGDS 14，圖4示出了耦合到預充電電路12的SPGDS14的電路圖。如前所述，預充電電路12可耦合到控制電源20以向SPGDS 14傳遞電荷。為控制負載18的操作，SPGDS 14可被布置成串聯在源16與負載18之間。
SPGDS可通過使用標記為SCR1和SCR2的一對SCR來控制電流在源16與負載18之間的流動。如前所述，在操作中，SCR可起到由柵信號控制的整流器的作用。因此，當通過對柵施加電壓或電流而被開啟時，SCR可與二極管很相似地顯現很低的正向電阻和很高的反向電阻。但是，當柵信號消除時，SCR可保持為開啟狀態直至流經電流停止。此時，SCR可關斷并顯現很高的正向和反向電阻。作為這些屬性的結果，通過在適當的時候開啟SCR，就可使用SCR來調節交變電流。因此，舉SCR1為例，如果沒有柵信號被發送到SCR1，則非常微弱的電流會流過SCR1。如果有柵信號被發送到SCR1，則它將起到半波整流器的作用，從而通過在一個方向上流動的大多數電流。因為SCR在反向偏置時會被關斷，所以每當SCR變為正向偏置時可重復施加柵信號，因為每個周期的一部分將會反向偏置SCR。值得注意的是，通過在每個周期里SCR變為正向偏置之后的一定時間開啟SCR，源16與負載18之間的電流就可受到控制。每個周期里SCR既被正向偏置又被關斷的時間越長，電流在源16與負載18之間通過的時間就越短。因此，為了限制傳遞給負載18的能量，例如為了減緩感應電機的旋轉，SPGDS 14可在每個周期中SCR1或SCR2變為前向偏置之后的一定時間將其開啟。SPGDS 14可通過調整此延遲的大小來控制負載的操作。SPGDS 14可使用呈反向平行的關系的一對SCR，即SCR1和SCR2，從而在每半個周期里其中一個SCR被前向偏置。由此，SPGDS 14在每個周期的正部分和負部分都可控制源16與負載18之間的電流。
一對驅動器36A和36B可分別控制SCR1和SCR2之一。為了控制SCR1和SCR2在何時開啟，每個驅動器36A和36B可耦合到其所控制的SCR的柵電極。由此，驅動器36A和36B可分別開啟SCR1和SCR2。驅動器36A和36B可包括用于確定每個周期里開啟SCR1和SCR2以向負載18傳遞所需功率的合適的點。驅動器36A和36B的每一個都可從SPGDS 14的其它組件抽吸功率來進行操作。
一對電容器C1和C2可存儲電荷以分別向驅動器36A和36B之一供電。電容器C1可被布置成串聯在源16與驅動器36A之間，而電容器C2可被布置成串聯在負載18與驅動器36B之間。通過與接下來所討論的各種組件協作，電容器C1和C2可利用SCR1和SCR2上的電勢來捕捉電荷。驅動器36A和36B可抽吸此電荷來為其操作供電。優越之處在于，這樣一種布置可允許SPGDS 14在沒有各驅動器36A和36B的專用電源的幫助下就能進行操作。
各種組件可協作以向為驅動器36A和36B供電的電容器C1和C2充電。電容器CS可在SCR1和SCR2都關斷時充電，然后向C1和C2放電。取決于SCR1和SCR2在電壓周期的正性或負性部分里是否均關斷，電流可流過二極管D1B或D2B來給CS充電。與此同時，電流可從電容器CS流到電容器C1或C2之一。如果電容器CS通過二極管D1B充電，則電流可從電容器CS通過二極管D2R流到電容器C2來向電容器C2充電。類似地，如果電容器CS通過二極管D2B充電，則電流可從電容器CS通過二極管D2R來向電容器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，它們可阻止電流經除通過驅動器36A和36B以外的路徑離開電容C1和C2。優越之處在于，通過包括與電容器CS串聯的電阻RS，這兩個組件可形成緩沖電路，來阻尼在通過SPGDS14的電流突變期間，諸如當SCR1或SCR2開啟時所產生的瞬時電流。
齊納二極管DZ1和DZ2可分別與各種組件協助來防止電容器C1和C2充到超過某個電壓。二極管DZ1和DZ2可具有擊穿電壓(諸如20伏)，它起到分別對電容器C1和C2上的電壓封頂的作用。二極管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被充滿時重新定向離開電容器C1或C2的電流。例如，在周期中將驅動電流從電容器CS流到電容器C1的一部分里，當SCR1和SCR2均關斷時，如果C1已完全充滿，則電流可通過DZ1以開啟開關DSCR1。一旦開啟，開關DSCR1即可重新定向來自電容器CS的、否則會向源16回充的電流。二極管DZ2和DSCR2可用互補方式操作。為確保在二極管DZ1或DZ2到達其擊穿電壓時，開關DSCR1和DSCR2的柵電極達到足以使其開啟的電壓，可將電阻R1和R2布置成分別串聯在二極管DZ1與源16之間或是二極管DZ2與負載18之間。
預充電電路12可通過在SPGDS 14處于休止狀態時在電容器C1和C2上維持電荷來補充自供電電路。如前文中所解釋的，控制電源20可驅動交變電流流過電流回路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處于休止狀態時，預充電電路可在電容器C1和C2上維持一定電荷。優越之處在于，當SPGDS 14被重新激活時，諸如在軟停操作期間，SPGDS 14在無需為電容器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矩浪涌，并延長設備的壽命。
各種自動化系統10可使用耦合到SPGDS 14的預充電電路12。為更詳細地說明這一自動化系統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化系統10的框圖。如在上述實施例中一樣，SPGDS 14可選擇性地允許電流在源16與負載18之間流動，并且預充電電路12可向SPGDS 14提供涓流電荷。除了這些組件之外，自動化系統10可包括控制器38，用于管理SPGDS14以及對負載執行控制的其它各種組件的操作。控制器38可用允許控制器38控制SPGDS 14的方式被通信地耦合到SPGDS 14。響應于來自控制器38的命令，SPGDS 14可調節負載18的操作。
控制器38可與配置成方便用戶對自動化系統10的控制的遠程接口40通信。遠程接口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與負載18之間的電流路徑。為了將負載18從源16解耦合，控制器38可斷開接觸器42。類似地，為了引導源16與負載18之間的電流通過SPGDS 14，控制器38可閉合接觸器42并斷開接觸器44。在某些操作模式中，控制器38可通過閉合接觸器44來使得源16與負載18之間的電流繞過SPGDS 14。例如，當負載18要在全容量下工作，且源16與負載18之間的電流不受限制地通過SPGDS 14時，控制器38可閉合接觸器44以繞過SPGDS 14。由此，通過引導SPGDS 14與連接器42和44的操作，控制器36就可調節源16與負載18之間的電流。
根據本技術的某些實施例可使用多個SPGDS 14。例如，圖6示出用于控制三相電源16與負載18之間的電流的示例性自動化系統10的框圖。源16可通過交變電流的三條線路向負載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可調節源16與負載18之間的每個交流相位。如圖6所示，三個SPGDS 14A-C可被布置成串聯在源16與負載18之間，每個SPGDS 14A-C選擇性地傳導一個相位。由此，與單相的情況一樣，SPGDS 14A-C可通過延長或縮短周期里它們不傳導的部分來控制負載18的操作。控制器38可與各SPGDS 14A-C通信來控制其操作。
類似地，控制器38可與一連串接觸器42A-C和44A-C通信，來為源16與負載18之間的電流選擇一條路徑。由此，為使負載18從源16解耦合，控制器38可斷開接觸器42A-C。為了繞過SPGDS 14A-C，控制器38可閉合接觸器44A-C，而為了引導源16與負載18之間的電流通過SPGDS 14A-C，控制器38可斷開接觸器44A-C并閉合接觸器42A-C。
優越之處在于，單個預充電電路12在作適當修改之后可支持多個SPGDS。圖2的預充電電路12可被簡便地修改為支持多個SPGDS，諸如圖6的SPGDS 14A-C。通過為每個附加SPGDS 14向電流回路22添加與線圈24A和24B類似的一對線圈、以及與整流器26A和26B類似的一對整流器，預充電電路12就可向多個SPGDS供電。優越之處在于，可在多個SPGDS上利用單個變壓器28和電流回路22。因此，在三相自動化系統10中，一個預充電電路12可給三個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化系統10。SPGDS 14A的輸出可被耦合到SPGDS 14B的輸入，以提高自動化系統10的電壓處理能力。在一些實施例中，可通過層疊兩個SPGDS來使電壓處理能力加倍。與三相系統相似，修改為對每個SPGDS包括兩個線圈和橋式整流器的單個預充電電路12可向多個SPGDS 14A和14B充電。
可用各種方式來組合圖6的三相電源配置和圖7的層疊SPGDS 14A-B的配置以產生其它實施例。例如，根據本技術的實施例包括每相位使用1個SPGDS來處理2300伏電源、每相位使用兩個SPGDS來處理3300和4160伏電源、以及每相位使用三個SPGDS來處理6900伏電源的自動化系統10。由此，適用于接受三相電源的這些實施例分別可使用三個、六個或九個SPGDS。當SPGDS被添加到自動化系統10中時，使用單個預充電電路12、而不是每個SPGDS一對單獨的電源來向SPGDS中的電容器充電的優勢就變得更為明顯。
當向多個SPGDS提供單個預充電電路12時，將電流回路22斷成相互串聯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。通過將電流回路22斷為數段，就可移走一段進行修理或維護而不用將電流環路22穿過與每個SPGDS相關聯的每一對線圈。
盡管本文中僅示出并描述了本發明的某些特征，但是本領域技術人員可進行許多修改和變化。因此應當理解，所附權利要求書旨在涵蓋落在本發明真實精神內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種系統，包括預充電電路，所述預充電電路被配置成耦合到第一交流電源，并向自供電柵驅動器系統內的諸組件充電，同時阻止電流在所述第一交流電源與所述自供電柵驅動器系統之間流動；以及耦合到所述預充電電路的至少一個自供電柵驅動器系統，其中所述自供電柵驅動器系統被配置成選擇性地耦合第二交流電源和一負載。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預充電電路包括一電流回路以及圍繞所述電流回路設置的線圈。
3.如權利要求2所述的系統，其特征在于，所述電流回路包括圍繞所述電流回路設置在所述線圈與所述電流回路之間的絕緣體。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預充電電路包括一變壓器。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預充電電路包括一橋式整流器。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預充電電路對每個自供電柵驅動器系統包括兩個橋式整流器。
7.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預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置的絕緣層；圍繞所述絕緣層設置的套子；圍繞所述套子設置的線圈；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所述線圈中感生出的交變電流進行整流，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動器系統。
8.如權利要求1所述的系統，其特征在于，包括至少三個自供電柵驅動器系統，其中至少一個自供電柵驅動器系統被配置成選擇性地將三相交流電源的每個相耦合到負載。
9.如權利要求1所述的系統，其特征在于，包括相互串聯地耦合的多個自供電柵驅動器系統。
10.一種選擇性地耦合電源與負載的方法，包括選擇性地將電源通過自供電柵驅動器系統耦合到負載；以及用預充電電路對所述自供電柵驅動器系統充電。
11.如權利要求10所述的系統，其特征在于，對所述自供電柵驅動器系統充電與選擇性地將電源通過自供電柵驅動器系統耦合到負載非并發地進行。
全文摘要
一種用來給自供電柵驅動器系統充電的設備和方法。該設備可包括用于在線圈中感生電流的電流回路。橋式整流器可對線圈中感生出的電流進行整流，并對用來向自供電柵驅動器系統中的驅動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動器系統與電流回路之間流過。電流回路可耦合到線電壓變壓器以驅動交變電流通過電流回路。在某些實施例中，單個電流回路和變壓器可向多個自供電柵驅動器系統充電。
文檔編號H02P27/02GK1956303SQ20061014162
公開日2007年5月2日 申請日期2006年9月28日 優先權日2005年9月28日
發明者D·S·S·邁克蘭, K·R·希爾德雷 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司