(57)【要約】  改善された電源切換えスイッチング装置および方法を提供すること。第１の電源および第２の電源（主電源および代替電源）は、ＳＣＲを備えることができる対応する第１のスイッチおよび第２のスイッチを介して、負荷に接続可能である。コントローラは、様々な切換え方法によってスイッチを作動する。いくつかの切換え方法では、スイッチング動作のタイミングが、きわめて重要である。たとえば、スイッチング時間は、切換えイベント中に蓄積された直流フラックスに起因する変圧器飽和を低減あるいは防止するために最適化されることができる。コントローラの力は、短い時間時間の間、適切な代替電源スイッチを作動することによって主電源スイッチを整流する。この場合、代替電源スイッチは、（連続して作動されるのではなく）「パルス作動され」、その結果、これらのスイッチは、次の電流ゼロ交差で自然に整流される。次に、ボルト秒の平衡制御ロジックは、適切な時間にこれらのスイッチを永続的に入れる。
2007522783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電源と第２の電源との間を切り換えるスイッチを制御する方法であって、
第１の電圧源に結合された第１のスイッチを切るステップと、
第２の電圧源に結合された第２のスイッチを一時的にパルス作動するステップと、
第２のスイッチを入れるステップとを含む方法。
【請求項２】
第２のスイッチをパルス作動するステップが、出力電圧障害を最小限に抑えるために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２のスイッチをパルス作動するステップが、第１のスイッチを整流するために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１のスイッチおよび第２のスイッチが、ゲート端子を有するＳＣＲを含み、
第２のスイッチをパルス作動するステップが、電圧パルスを第２のスイッチのＳＣＲのゲート端子に印加するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
下流側飽和電流を最小限に抑えるスイッチング時間を決定するステップと、
決定されたスイッチング時間に第２のスイッチを入れるステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２のスイッチが、決定されたスイッチング時間の前にパルス作動される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第２のスイッチを決定するステップが、第１の電圧源および第２の電圧源の波形を解析するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
波形を解析するステップが、電圧波形の下の面積を計算するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
スイッチング時間が、ほぼ等しい第１の電圧源および第２の電圧源の波形の下の面積の絶対値に応答して決定される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
波形を解析するステップが、第１の電圧および第２の電圧の時間積分を計算するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
スイッチング時間が、ほぼ等しい第１の電圧および第２の電圧の時間積分に応答して決定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１の電圧源に接続可能な第１のスイッチと、
第２の電圧源に接続可能な第２のスイッチと、
第１のスイッチおよび第２のスイッチに接続され、第１のスイッチおよび第２のスイッチを作動させまた非作動にさせて、変圧器を介して負荷に第１のスイッチまたは第２のスイッチを選択的に接続するコントローラとを備え、
前記コントローラは、第１の電圧源および第２の電圧源の電圧レベルならびに負荷に印加された電圧を表す信号を受け取る入力を有し、予め決められた条件に基づいて、コントローラが、第２のスイッチを一時的にパルス作動し、その後第２のスイッチを入れる、切換えスイッチシステム。
【請求項１３】
第１および第２のスイッチが、ＳＣＲを含む、請求項１２に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１４】
コントローラが、出力電圧障害を最小限に抑えるために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動する、請求項１２に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１５】
コントローラが、第１のスイッチを整流するために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動する、請求項１２に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１６】
コントローラが、下流側飽和電流を最小限に抑えるスイッチング時間を決定し、スイッチング時間に第２のスイッチを入れる、請求項１２に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１７】
コントローラが、スイッチング時間の前に第２のスイッチを一時的にパルス作動する、請求項１６に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１８】
コントローラが、第１の電圧源および第２の電圧源の電圧レベルを表す信号に応答してスイッチング時間を決定する、請求項１６に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項１９】
第１の電圧源と、
第２の電圧源と、
第１の電圧源に接続された第１のスイッチと、
第２の電圧源に接続された第２のスイッチと、
変圧器を第１の電圧源または第２の電圧源に選択的に接続する、第１のスイッチおよび第２のスイッチに接続された入力を有し、負荷に接続可能な出力端子を有する変圧器と、
第１のスイッチおよび第２のスイッチに接続され、第１のスイッチおよび第２のスイッチを作動させまた非作動にさせし、第１のスイッチまたは第２のスイッチを変圧器に選択的に接続するコントローラとを備え、
コントローラが、第１の電圧源および第２の電圧源の電圧レベルならびに変圧器入力に印加された電圧を表す信号を受け取り、予め決められた条件に基づいて、コントローラが、第２のスイッチを一時的にパルス作動し、その後第２のスイッチを入れる、無停電電源システム。
【請求項２０】
第１のスイッチおよび第２のスイッチが、ＳＣＲを含む、請求項１９に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項２１】
コントローラが、出力電圧障害を最低限にするために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動する、請求項１９に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項２２】
コントローラが、第１のスイッチを整流するために必要なだけ何度でも第２のスイッチをパルス作動する、請求項１９に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項２３】
コントローラが、下流側飽和電流を最小限に抑えるスイッチング時間を決定し、スイッチング時間に第２のスイッチを入れる、請求項１９に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項２４】
コントローラが、スイッチング時間の前に第２のスイッチを一時的にパルス作動する、請求項２３に記載の切換えスイッチシステム。
【請求項２５】
コントローラが、第１の電圧源および第２の電圧源の電圧レベルを表す信号に応答して、スイッチング時間を決定する、請求項２３に記載の切換えスイッチシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電圧切換えスイッチに関し、より詳細には、切換えスイッチの下流側に変圧器を有するスイッチシステムの交流電圧源切換え方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧切換えスイッチは、一般に、主電源が故障した場合あるいは不安定である場合に、主電源から１つまたは複数の代替電源に切り換えるために使用される。そのような切換えスイッチは、一般に、病院、および商工業施設のきわめて重要な工程など、電力の連続性を必要とする用途で使用される。たとえば、主電源および１つの代替電源を有する電力システムでは、第１のスイッチおよび第２のスイッチが、それぞれ主電源および代替電源に結合される。これらのスイッチは、コントローラによって作動され、主電源の故障時に、第１のスイッチが開かれて負荷から主電源を取り除き、続いて第２のスイッチが閉じられて負荷に代替電源を接続し、それによって、負荷への電力を維持する。
【０００３】
このスイッチング機能に使用される「スタティックスイッチ」は、一般にシリコン制御整流器（ＳＣＲ）装置を採用する。コントローラは、主電源および代替電源の状態に基づいて必要に応じて、ＳＣＲのゲート端子に信号を印加してゲートして伝導させ、整流する。一般に、負荷側での電圧崩壊を最小限に抑えようとして、負荷が主電源から切断された後、できるだけ早く第２のスイッチが入れられる。しかし、場合によっては、第１のスイッチを切り第２のスイッチを入れるタイミングは、システムの構成に基づいて最適化される。たとえば、スイッチの下流側に接続された変圧器を有するシステムでは、スイッチングは、変圧器が、切換えイベント中に蓄積された直流フラックスによって飽和するのを防止するために最適化されることができる。そのような変圧器飽和は、大きな飽和電流を流れさせる可能性があり、この飽和電流は、電源の過負荷あるいは上流側保護ブレーカのトリップに起因するシステム故障を引き起こす可能性があるので、非常に望ましくない。
【０００４】
そのような最適化されたシステムでは、切換えの最適時点を待つことから生じる追加遅延が、ある種の重要負荷にとっては受け入れられない、出力電圧の波形障害および負荷電流の不連続を増大させる可能性がある。さらに、ＳＣＲが、下流側変圧器の飽和電流を最小にするために最適化されたような電圧切換えスイッチに使用された場合、ＳＣＲがかなりの時間期間に自然に整流しない場合がある。これは、コントローラが、交差伝導状態を生成することなく、最適時に適切な代替電源ＳＣＲを作動するのを妨げ、したがって、切換え時間を引き延ばす可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願は、従来技術に関するこれらの欠点に取り組むものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、改善された電源切換えスイッチング装置および方法に関する。第１の電源および第２の電源（主電源および代替電源）は、ＳＣＲから成る対応する第１のスイッチおよび第２のスイッチを介して負荷に接続可能である。コントローラは、様々な切換え方法によってＳＣＲを作動する。いくつかの切換え方法では、スイッチング動作のタイミングがきわめて重要である。たとえば、スイッチング時間は、切換えイベント中に蓄積される直流フラックスに起因する変圧器飽和を、低減または防止するために最適化されることができる。コントローラは、出力電圧障害を最小限に抑え、かつ／または主装置を整流するために、ある制御された短い時間期間の間、適切な代替電源装置を一時的に作動する。コントローラの力は、短い時間期間の間、適切な代替電源装置を作動することによって、主電源ＳＣＲを整流する。この場合、代替電源ＳＣＲゲートドライブは、（連続して作動されるのではなく）「パルス作動され」、その結果、ＳＣＲは、次の電流ゼロクロスで自然に整流される。次に、ボルト秒（ｖｏｌｔ−ｓｅｃｏｎｄ）の平衡制御ロジックが、適切な時間にこれらのＳＣＲを永続的に作動する。パルス動作は、切換えイベント中の電圧障害および負荷電流不連続を低減するために、必要な平衡ボルト秒が達成されるまで必要なだけ何度でも繰り返されることができる。
【０００７】
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。
【０００８】
本発明は、様々な変更および代替形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態が、添付の図面に例として示されており本明細書中で詳細に説明される。しかし、本明細書中の特定の実施形態の記載は、本発明を、開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、それに反して、その意図は、特許請求の範囲によって規定された本発明の主旨および範囲に含まれる、全ての変更、同等物、および代替物を含むことであることを理解されたい。
【０００９】
本発明の例示的実施形態が、以下に説明される。明確さのために、本明細書中では、実際の実施形態の特徴が、全て記載されるわけではない。そのような実際の任意の実施形態の開発では、実施形態ごとに変わるシステムおよび企業に関する制約の遵守など開発者の個々の目的を達成するために、実施形態固有の非常に多くの決定がなされなければならないことを、当然のことながら、理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で多くの時間を要するが、それにもかかわらず、本開示の利点を有する当業者にとっては、決まりきった仕事であることも理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、交流電圧切換えスイッチシステム１００を示す。切換えスイッチシステム１００は、第１の電圧源すなわち主電圧源１１０、および第２の電圧源すなわち代替電圧源１１１を含む。第１の電圧源１１０および第２の電圧源１１１は、変圧器１２２を介して負荷１２０に接続される。第１のスイッチ１３０および第２のスイッチ１３１は、それぞれ第１の電圧源１１０および第２の電圧源１１１に接続され、コントローラ１３４は、スイッチ１３０、１３１を作動する。例示の実施形態では、スイッチ１３０、１３１は、第１のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）１３０ａ、１３０ｂおよび第２のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）１３１ａ、１３１ｂを備える。コントローラ１３４は、たとえば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）あるいは任意の適切なプログラム可能なロジック装置を備えることができる。コントローラ１３４は、入力として、第１の電圧源Ｖ１および第２の電圧源Ｖ２、ならびに負荷電圧Ｖｌｏａｄの電圧レベルを受け取る。ここで負荷電圧Ｖｌｏａｄは、変圧器の一次巻線に印加される切換えスイッチの出力電圧と規定される。
【００１１】
通常の状態では、コントローラは、第１のスイッチ１３０にバイアスをかけて、第１の電圧源１１０（主電圧源）を負荷１２０に接続する。第１の電圧源１１０が故障し、第２の電圧源１１１（代替電圧源）が利用できる場合は、コントローラ１３４がこの状態を検出し、スイッチ１３０、１３１を作動して、第１の電圧源１１０を負荷１２０から切断し、次に第２の電圧源を接続し、負荷１２０への電力を維持する。
【００１２】
ある種のスイッチング方式では、スイッチング動作のタイミングがきわめて重要である。しかし、ある構成では、ＳＣＲはかなりの時間期間の間、自然に整流しない。これは、コントローラが、最適時に適切な代替電源ＳＣＲを作動するのを妨げる可能性がある。
【００１３】
たとえば、知られている切換えスイッチシステムでは、負荷１２０が第１の電圧源１１０から切断された後、負荷１２０での電圧崩壊を最小限に抑えようとして、一般に第２のスイッチ１３１ができるだけ速く作動される。２つの電源１１０、１１１が最初に同期されていない場合は、変圧器１２２は、切換えイベント中に蓄積される直流フラックスによって飽和する。変圧器飽和は、大きな飽和電流を流れさせる可能性があり、この飽和電流は、電源の過負荷あるいは上流側保護ブレーカのトリップに起因するシステム故障を引き起こす可能性があるので、非常に望ましくない。
【００１４】
変圧器飽和を回避するために、第１の電源１１０から第２の電源１１１に切り換える最適時間が決定される。この最適時間は、追加の切換え遅延となり、この遅延は、ある種のきわめて重要な負荷にとっては受け入れられない出力電圧の波形障害を引き起こす可能性がある。さらに、ＳＣＲが所望の時間に整流できなかった場合、コントローラは、交差伝導状況を生成することなしに、最適時に適切な代替電源ＳＣＲの作動を妨げ、したがって切換え時間を引き延ばす可能性がある。
【００１５】
一実施形態では、切換え時間は、負荷電圧および代替電圧のボルト秒面積を計算することによって決定される。図２ａおよび図２ｂは、負荷電圧２１０および代替電圧２１２の波形を示す。主電源１１０に障害が発生すると、コントローラ１３４は、最後のゼロ交差の時間から第１のスイッチ１３０が切られるまで、ボルト秒の量、すなわち負荷電圧曲線２１０の下の面積（Ａｔ）を追跡し、代替電源曲線２１２の補正面積（Ａｃ）を計算する。切換えが開始されると、コントローラ１３４は、目標ボルト秒が、（図２ａのように）補正ボルト秒面積にほぼ等しくなるまで、あるいは（図２ｂのように）補正ボルト秒面積を補足するまで待って、その後で第２のスイッチ１３１を入れる。こうすることによって、切換え中に変圧器１２２内で直流フラックスが蓄積されなくなる。
【００１６】
図２ａおよび図２ｂは、第１の電圧源から第２の電圧源に切り換えるための２つの異なる平衡状態を示す。図２ａで、ＡｔおよびＡｃは、異なる符号を有する（Ａｔ・Ａｃ＜０）。図２ｂで、ＡｔおよびＡｃは、同じ符号を有する（Ａｔ・Ａｃ＞０）。上記から分かるように、Ａｔは、負荷電圧の目標ボルト秒面積であり、Ａｃは、代替電圧の補正ボルト秒面積である。図２ｂはまた、代替電圧の完全半サイクルのボルト秒面積を表すＡｆも含む。量Ａｃには、（切換え発生後）将来において発生するイベントが関与し、したがって、量Ａｃは正確に決定されることはできない。しかし、代替電圧２１２は、切換え前の前のサイクルからあまり変わらないとすると、任意の所与の時間ｔでの量Ａｃは、Ａｃ（ｔ）＝Ａｆ−Ａｒ（ｔ）から近似されることができ、この式中でＡｆは、前の完全半サイクルボルト秒面積であり、Ａｒは、ゼロ交差から時間ｔまでのボルト秒面積のランニング積分である。
【００１７】
したがって、図２ａに示された状態で、変圧器飽和を回避するために、コントローラ１３４は、ＡｔとＡｃの絶対値が等しく（｜Ａｔ｜＝｜Ａｃ｜）となるように、スイッチ１１０、１１１を作動する。量Ｓ１をＳ１＝Ａｔ＋Ａｃと定義すると、コントローラ１３４は、（Ａｔ・Ａｃ＜０）のときＳ１＝０となるように、第２のスイッチ１１１を入れる。
【００１８】
次に、図２ｂを参照すると、コントローラ１３４は、ＡｔとＡｃを加えた量が、代替電圧の完全半サイクルのボルト秒面積に等しく（Ａｔ＋Ａｃ＝Ａｆ）となるように、スイッチ１１０、１１１を作動する。量Ｓ２をＳ２＝Ａｔ＋Ａｃ−Ａｆと定義すると、コントローラ１３４は、（Ａｔ・Ａｃ＞０）のときＳ２＝０となるように、第２のスイッチ１１１を入れる。
【００１９】
図３は、第１の電圧源１１０から第２の電圧源１１１に切り換える、ボルト秒面積法の特定の実施形態を示す流れ図である。ブロック３１０では、負荷電圧Ｖｌｏａｄ（ｋ）および代替電圧Ｖ２（ｋ）が、予め決められたサンプリングレート、たとえば１５ＫＨｚで、サンプリングされる。目標ボルト秒面積Ａｔは、負荷電圧Ｖｌｏａｄを、Ａｔ（ｋ＋ｌ）＝Ａｔ（ｋ）＋Ｖｌｏａｄ（ｋ）を積分することによって、ブロック３１２で計算される。目標ボルト秒面積Ａｔ（ｋ）は、切換えコマンドが発生した後を除いて、負荷電圧Ｖｌｏａｄの各ゼロ交差でリセットされる。ブロック３１４で、ランニング代替ボルト秒面積Ａｒ（ｋ）は、代替電圧Ｖ２を、Ａｒ（ｋ＋１）＝Ａｒ（ｋ）＋Ｖａｌｔ（ｋ）を積分することによって計算される。ランニングボルト秒面積Ａｒ（ｋ）は、また、切換えコマンドが発生した後を除いて、代替電圧Ｖ２の全てのゼロ交差ごとにゼロにリセットされる。
【００２０】
ブロック３１６で、最大半サイクルのボルト秒面積は、Ａｒ（ｋ）をリセットする前に、全てのゼロ交差ごとにＡｒ（ｋ）の値をラッチすることによって計算される。補正ボルト秒面積Ａｃ（ｋ）は、前の半サイクルボルト秒面積Ａｆとボルト秒面積のランニング積分Ａｒの差、Ａｃ（ｋ）＝Ａｆ−Ａｒ（ｋ）に基づいてブロック３１８で計算される。ブロック３２０で、Ｓ１およびＳ２は、Ｓ１（ｋ）＝Ａｔ（ｋ）＋Ａｃ（ｋ）、およびＳ２（ｋ）＝Ａｔ（ｋ）＋Ａｃ（ｋ）−Ａｆで計算される。ブロック３２２で、コントローラ１３４は、Ｓ１（ｋ）＝０（Ａｔ・Ａｃ＜０）であるとき、またはＳ２（ｋ）＝０（Ａｔ・Ａｃ＞０）であるとき、切換えを行う。
【００２１】
他の実施形態では、２つのフラックス量が、切換えイベントの前に連続して計算される。第１のフラックスは、変圧器１２２を駆動するときに負荷電圧Ｖｌｏａｄによって発生されるフラックスに相当し、第２のフラックスは、変圧器１２２を駆動していれば第２の電源１１１によって発生されるであろう仮想フラックスに相当する。最適切換え点は、これら２つのフラックス量が等しいときに達成されることが分かる。
【００２２】
図４は、負荷電圧Ｖｌｏａｄおよび代替電圧Ｖ２の２組の波形を示す。上の波形は、負荷電圧２１０および代替電圧２１２の電圧曲線であり、下の波形は、負荷電圧２２０および代替電圧２２２に対応するフラックス曲線である。コントローラ１３４は、フラックスが等しい（破線２３０によって示されている）ときに切換えを行う。
【００２３】
変圧器１２２の漏洩インピーダンスの影響を無視すると、第１の電圧源１１０および第２の電圧源１１１の印加によって、変圧器１２２に蓄積されたフラックスは、以下の微分方程式を満足する。
【数１】
2007522783.tif 000003
【数２】
2007522783.tif 000004
【００２４】
上式でＶ１（ｔ）およびＶ２（ｔ）は、第１および第２の電源電圧であり、Φ１（ｔ）、Φ２（ｔ）は、各電圧に対応するフラックスである。
【００２５】
フラックスΦ１（ｔ）、Φ２（ｔ）は、どんな所与の時間にでも上記の微分方程式を解くことによって計算されることができる。
Φ１（ｔ）＝∫Ｖ１（ｔ）ｄｔ
Φ２（ｔ）＝∫Ｖ２（ｔ）ｄｔ
【００２６】
一般化されたフラックス法では、最適切換えは、上記で定義された２つのフラックス量の値が等しいとき、すなわちΦ１（ｔ）＝Φ２（ｔ）のとき達成される。
【００２７】
図５は、第１の電圧源１１０から第２の電圧源１１１に切り換える、一般化されたフラックス法の特定の実施形態を示す流れ図である。ブロック３５０で、出力電圧Ｖｌｏａｄ（ｋ）および代替電圧Ｖａｌｔ（ｋ）が、予め決められたサンプリングレート、たとえば１５ｋＨｚでサンプリングされる。ブロック３５２および３５４で、負荷フラックスおよび代替フラックスΦ１、Φ２、Φ１、Φ２は、それぞれ負荷電圧および代替電圧を積分することによって決定される。
Φｌｏａｄ（ｋ＋１）＝Φｌｏａｄ（ｋ）＋Ｖｌｏａｄ（ｋ）
Φａｌｔ（ｋ＋１）＝Φａｌｔ（ｋ）＋Ｖａｌｔ（ｋ）
【００２８】
ＤＣ成分は、あらゆる知られている技術を使用して、切換え前に定期的に両方のフラックス量から除去される。ブロック３５６で、これらのフラックス量が等しいとき、すなわちΦｌｏａｄ（ｋ）＝Φａｌｔ（ｋ）のとき、切換えが行われる。
【００２９】
上記で議論されたようにボルト秒面積またはフラックスを厳密に等しくなるように平衡させるのではなく、低減された切換え時間といくらかの量の変圧器飽和電流とのトレードオフを提供するために、平衡状態で多少の許容誤差が使用されることができる。この許容誤差をｚｃｔｈとして示すと、上記の平衡状態は、以下のように書き直すことができる。
【００３０】
ボルト秒面積法は、Ａｔ・Ａｃ＜０の場合、｜Ｓ１｜＝｜Ａｔ＋Ａｃ｜≦ｚｃｔｈであり、Ａｔ・Ａｃ＞０の場合は、｜Ｓ２｜＝｜Ａｔ＋Ａｃ−Ａｆ｜≦ｚｃｔｈである。
【００３１】
一般化されたフラックス法では、｜Φ１−Φ２｜≦ｚｃｔｈである。
【００３２】
図１に示された実施形態で、スイッチ１３０、１３１は、ＳＣＲ１３０ａ、１３０ｂ、および１３１ａ、１３１ｂを備える。ある種のＳＣＲは、かなりの時間期間の間に自然に整流せず、これは、精密にタイミング調整されたスイッチング動作を妨げることになる可能性がある。たとえば、これは、ボルト秒平衡制御が、交差伝導状態を生成することなしに、最適時に適切な代替電源ＳＣＲ１３１ａ、１３１ｂを作動するのを妨げ、したがって切換え時間を引き延ばす可能性がある。図６ａ〜図６ｄは、三相ＳＣＲベースの切換えスイッチシステムのそのような状態を示し、代替電源が好ましい電源を３０度先行している場合の、主電源での３５％電圧低下故障に続く、主電源から代替電源への切換えを示す。図６ａは、３つの位相それぞれの負荷電圧波形４１０を示す。図６ｂは、ＳＣＲ点弧信号４１２を示し、図６ｃおよび図６ｄは、それぞれ変圧器フラックス４１４および負荷電流４１６を示す。ＳＣＲの標準制御の場合、図６ａ〜図６ｄに示された切換えの切換え時間は、１５．２ミリ秒であり、負荷には、この切換えに起因する重大な電圧障害が生じる。
【００３３】
切換え時間を改善し、負荷に生じる電圧障害を最小限に抑えるために、コントローラが、好ましいＳＣＲを整流させるように作動する。これは、短い時間期間の間、適切な代替電源装置を作動することによって達成される。この場合、代替電源ＳＣＲのゲートドライブが、（連続して作動されるのではなく）「パルス作動され」、その結果、ＳＣＲは、次の電流ゼロ交差で自然に整流する。次に、コントローラは、適切な時間にこれらのＳＣＲを永続的に作動して、所望のボルト秒平衡を達成する。たとえば、図７ａ〜図７ｄは、ＳＣＲのそのような最適化された制御の波形を示す。電圧波形４２０が、図７ａに示されており、ＳＣＲ点弧信号４２２が、図７ｂに示されている。図７ｃおよび図７ｄは、それぞれ変圧器電フラックス４２４および負荷電流４２６を示す。ＳＣＲの所望の整流を達成するために、点弧信号は、図７ｂに示されたパルス４３０、４３２を含む。切換え中は、図７ａの負荷に送られる電圧は、図６ａの負荷に送られる電圧より高い平均値のものであることが分かる。したがって、この技術により、切換え中に負荷に生じる電圧障害をかなり低減する。
【００３４】
記載された技術は、ＳＣＲの強制整流の必要がない場合にでも、最適化されたボルト秒平衡システム内の電圧障害を最小限に抑えるために利用され得ることは明らかである。
【００３５】
コントローラは、（パルス作動期間中に）変圧器に印加されたボルト秒が、ボルト秒平衡制御の所望の動作に悪い影響を与えないかどうか判定する。これを達成するために様々な方法が利用されてよい。たとえば、ボルト秒平衡システムの第１の実施形態では、以下の２つの必要条件が、パルス作動のための条件を提供するために使用されてよい。すなわち、
１）制御が、ボルト秒平衡点でＳＣＲを作動する機会を逸したばかりである、
２）結果としての印加されたボルト秒が、過大な飽和電流を生じさせる値を超えない。
【００３６】
Ｓ１（ｔ）およびＳ２（ｔ）は、ＳＣＲが時間ｔで点弧されたときに印加されるボルト秒の量を表すので、これらの量は、上記条件を満たすために使用されることができる。強制された整流パルスが原因で、定格ボルト秒の半分以下しか変圧器に印加されないとすると、以下の状態は、上記２つの必要条件を満たすことが容易に分かる。
Ａｔ・Ａｃ＜０で、平衡している場合、
【数３】
2007522783.tif 000005
Ａｔ・Ａｃ＞０で、平衡している場合、
【数４】
2007522783.tif 000006
【００３７】
ボルト秒平衡システムの第２の実施形態では、以下のことが、パルス作動のための条件を提供するために使用されてよい。
１）パルス作動は、代替電圧の極性が、変圧器フラックス（Φｌｏａｄ）の絶対値が減らされるようなものである場合にのみ、印加されるべきである。この条件は、オンパルスの印加により変圧器が飽和されることにならないことを保証する。
２）パルス作動は、代替電圧の極性が、（負荷フラックスと代替フラックスの差として与えられた）生成された直流フラックスの量が、現在ゼロに向かって駆動されているようなものである場合は、印加されるべきではない。この状態で代替スイッチをパルス作動することは、（パルスが印加されなければ間もなく生じたであろう）フラックス平衡状態が遅らされることを妨げ、それによって切換え時間を長くする。
【００３８】
第１の条件は、代替電圧Ｖａｌｔおよび負荷フラックスΦｌｏａｄが異なる符号を有する場合に満たされる。第２の条件では、Φｄを、生成されるであろう直流フラックスの量Φｌｏａｄ−Φａｌｔと定義すると、この量は、代替電圧ＶａｌｔおよびΦｄが同じ符号を有する場合は、ゼロに向かって駆動される。したがって、第２の条件を満たすためには、パルス作動は、ＶａｌｔおよびΦｄの符号が異なる場合にのみ許容されるべきである。２つの必要条件を組み合わせると、ボルト秒平衡システムの第２の実施形態のためのオンパルス条件は、したがって、以下のように書かれることができる。
オンパルス条件＝（Φｌｏａｄ・Ｖａｌｔ）＜０、かつ（Φｄ・Ｖａｌｔ）＜０
【００３９】
ここで、代替スイッチを制御するオンパルス信号は、上記条件が満たされている限り連続して印加されることができることに留意されたい。オンパルスは、必要なボルト秒平衡状態が達成され、スイッチが永続的に作動されるまで、必要なだけ何度でも繰り返されることができることも明らかなはずである。これは、極端なケースを示す、三相ＳＣＲベースの切換えスイッチシステムに関する図８ａ〜図８ｄに示され、この極端なケースでは、１２０％公称電圧および５５Ｈｚ周波数を有する主電源から、８０％公称電圧および６３Ｈｚ周波数を有する代替電源への切換えが発生する。この切換えは、電圧波形内の所与の点で生じた、主電源の単相ショートトゥニュートラル欠陥の後に続く。図８ａ〜図８ｄは、上記のオンパルス条件を採用した波形を示す。電圧波形４４０は、図８ａに示され、ＳＣＲ点弧信号４４２は、図８ｂに示されている。図８ｃおよび図８ｄは、それぞれ変圧器フラックス４４４および負荷電流４４６を示す。図８ｂでは、点弧信号は、上記のオンパルス条件を満たすことによって規定された変化するパルス幅を有する、示され複数回繰り返されるパルス４５０および４５２を含む。
【００４０】
本発明は、本明細書中の教示の利益を有する当業者には明らかである、異なるが同等のやり方で、変更され実施されてもよいので、上記で開示された特定の実施形態は、例示のみである。さらに、特許請求の範囲に記載されている以外に、本明細書中に示された構成または設計の詳細に対するいかなる限定も意図されていない。したがって、上記で開示された特定の実施形態は、変更または修正されることができ、そのような変更形態は全て、本発明の範囲および主旨の範囲内にあると考えられることは明らかである。したがって、本明細書中で求められる保護は、特許請求の範囲に述べられている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＡＣ電圧切換えシステムのブロック図である。
【図２ａ】平衡電圧状態を示す電圧波形を示す図である。
【図２ｂ】平衡電圧状態を示す電圧波形を示す図である。
【図３】本明細書中で開示された切換え方法の流れ図である。
【図４ａ】電圧波形および対応するフラックス波形を示す図である。
【図４ｂ】電圧波形および対応するフラックス波形を示す図である。
【図５】本明細書中で開示された他の切換え方法の流れ図である。
【図６ａ】システムのＳＣＲの標準制御による切換え動作を示す図である。
【図６ｂ】システムのＳＣＲの標準制御による切換え動作を示す図である。
【図６ｃ】システムのＳＣＲの標準制御による切換え動作を示す図である。
【図６ｄ】システムのＳＣＲの標準制御による切換え動作を示す図である。
【図７ａ】システムのＳＣＲのパルス作動による切換え動作を示す図である。
【図７ｂ】システムのＳＣＲのパルス作動による切換え動作を示す図である。
【図７ｃ】システムのＳＣＲのパルス作動による切換え動作を示す図である。
【図７ｄ】システムのＳＣＲのパルス作動による切換え動作を示す図である。
【図８ａ】変化する幅の複数のオンパルスによる切換え動作を示す図である。
【図８ｂ】変化する幅の複数のオンパルスによる切換え動作を示す図である。
【図８ｃ】変化する幅の複数のオンパルスによる切換え動作を示す図である。
【図８ｄ】変化する幅の複数のオンパルスによる切換え動作を示す図である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【国際調査報告】
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