СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ПУСКОВОГО ТОКА
SYSTEM AND METHOD OF LIMITING ALTERNATING INRUSH CURRENT

Ссылка на связанные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США № 60/709392, поданной 18 августа 2005.
Предшествующий уровень техники
Настоящая заявка раскрывает изобретение, которое относится, в целом и во многих вариантах осуществления, к системе и способу для ограничения переменного пускового тока при включении источника питания.
Во многих источниках питания, когда мощность внезапно прикладывается к входному трансформатору источника питания, трансформатор в общем случае подвергается действию существенного броска напряжения вследствие тока, протекающего через него. Этот пусковой ток содержит первую составляющую, которая обусловлена зарядом конденсаторов постоянного тока (DC) в источнике питания, и вторую составляющую, которая обусловлена насыщением стального сердечника трансформатора.
В принципе вторичный ток протекает только в течение первого цикла пускового тока, и DC конденсаторы полностью заряжаются к концу первого цикла. Пусковой ток формирует выброс DC напряжения. Ввиду ограничений по габаритам и стоимости количество DC конденсаторов, которое может быть использовано для уменьшения выброса DC напряжения в течение пускового тока, ограничено. Этот выброс в напряжении DC конденсатора в течение пускового тока обусловлен энергией, запасаемой в индуктивности(ях) рассеяния или специально предусматриваемых индуктивностях при больших токах заряда, присутствующих в течение пускового тока. В общем случае, токи заряда длятся менее одного цикла. Те же самые токи заряда конденсатора индуцируются в первичную обмотку, сокращая коэффициент трансформации трансформатора.
В дополнение к токам заряда, индуцируемым в первичную обмотку из вторичной(ых) обмотки(ок), могут иметь место дополнительные токи в первичной обмотке, обусловленные насыщением стального сердечника. Эти токи насыщения повторяются по нескольким последовательным циклам, хотя вторичные токи заряда, по существу, спадают до нуля после первого цикла. Это множество импульсов первичного тока подвергают напряжению первичные обмотки трансформатора, а также систему распределения мощности. В то время как стальной сердечник насыщается, пусковой ток ограничивается главным образом за счет самоиндуктивности первичной обмотки, так что пусковой ток может быть очень большим. Пиковые первичные токи постепенно уменьшаются с каждым последовательным циклом, так как поток DC смещения от переходного процесса медленно спадает, так что насыщение возникает позже в каждом цикле, однако импульсы тока насыщения могут длиться 20 циклов или более.
Сущность изобретения
В одном общем аспекте настоящая заявка раскрывает систему для ограничения переменного (АС) пускового тока. Согласно различным вариантам система содержит первую, вторую и третью обмотки, магнитно связанные с сердечником трансформатора источника питания. Система также содержит первый низковольтный контактор и второй низковольтный контактор. Система дополнительно содержит первый низковольтный импедансный элемент, подсоединенный между первым низковольтным контактором и первой обмоткой, второй низковольтный импедансный элемент, подсоединенный между вторым низковольтным контактором и первой обмоткой, и третий низковольтный импедансный элемент, подсоединенный между первым низковольтным контактором и второй обмоткой, и четвертый низковольтный импедансный элемент, подсоединенный между вторым низковольтным контактором и второй обмоткой.
В другом общем аспекте настоящая заявка раскрывает способ для ограничения АС пускового тока к источнику питания. Согласно различным вариантам способ содержит зарядку конденсаторов источника питания низковольтной мощностью, доставляемой через обмотки, магнитно связанные с трансформатором источника питания, намагничивание трансформатора низковольтной мощностью, доставляемой через обмотки, и приложение полного напряжения к источнику питания после того, как конденсаторы заряжены и трансформатор намагничен.
Описание чертежей
Различные варианты осуществления изобретения описаны ниже на примере со ссылками на следующие чертежи.
Фиг.1 - различные варианты осуществления системы для ограничения АС пускового тока к источнику питания;
Фиг.2 - различные варианты осуществления элемента питания по фиг.1;
Фиг.3 - различные варианты осуществления системы для ограничения АС пускового тока к источнику питания;
Фиг.4 - различные варианты осуществления системы для ограничения АС пускового тока к источнику питания;
Фиг.5 - различные варианты осуществления системы для ограничения АС пускового тока к источнику питания;
Фиг.6 - различные варианты осуществления системы для ограничения АС пускового тока к источнику питания.
Детальное описание
Понятно, что некоторые из чертежей и описаний изобретения упрощены для фокусировки на элементах, которые являются релевантными для ясного понимания изобретения, при исключении, в целях наглядности, других элементов, которые, как ясно специалистам в данной области техники, также могут образовывать часть изобретения. Однако поскольку такие элементы хорошо известны в технике и поскольку они не способствовали бы лучшему пониманию изобретения, описание таких элементов не предоставляется.
Фиг.1 иллюстрирует различные воплощения системы 10 для ограничения АС пускового тока к источнику 12 питания. Для наглядности части на фиг.1 показаны в обычном однолинейном формате. Источник 12 питания может быть, например, источником питания средней мощности, высоковольтным источником питания и т.д. Как использовано здесь, термины «низковольтный», «среднего напряжения», «высоковольтный» связаны друг с другом, и каждый из терминов считается включающим в себя обобщенные смысловые значения, понятные специалистам в данной области техники. Например, в качестве среднего напряжения может рассматриваться напряжение выше 600 вольт, менее 69 киловольт и т.д. Источник 12 питания в целом содержит главный контактор 14, трансформатор 16 и элемент 18 питания.
Главный контактор 14 может представлять собой трехфазный контактор, соединенный с линиями питания среднего напряжения трехфазной распределительной системы, и может содержать любое количество вспомогательных контактов, как известно в технике. Согласно различным вариантам осуществления главный контактор 14 может быть вакуумным контактором и может рассчитываться на полный ток и напряжение нагрузки (например, двигатель), связанной с источником 12 питания.
Трансформатор 16 содержит сердечник 20 (например, стальной сердечник), первичные обмотки 22, магнитно связанные с сердечником 20, и вторичные обмотки 24, магнитно связанные с сердечником 20. Первичные обмотки 22 связаны с главным контактором 14, а вторичные обмотки 24 связаны с элементом 18 питания. Хотя на фиг. 21 показаны три первичные обмотки 22 и девять вторичных обмоток 24, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что трансформатор 16 может содержать любое число первичных и вторичных обмоток 22, 24.
Элемент 18 питания может быть любым типом компонента, который преобразует трехфазную АС мощность в отфильтрованное DC напряжение, причем DC напряжение может быть само выходом элемента 18 питания или может дополнительно обрабатываться дополнительными компонентами в составе элемента 18 питания. Хотя на фиг.1 показано 12 элементов 18 питания, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что источник 12 питания может включать в себя любое количество элементов 18 питания, причем каждая вторичная обмотка 24 может быть связана с другим элементом 18 питания, и фаза напряжения, приложенная к одному элементу 18 питания, может отличаться от фазы напряжения, приложенного к другому элементу 18 питания.
Фиг.2 иллюстрирует различные варианты осуществления элементов 18 питания. Элемент 18 питания, показанный на фиг.2, может быть характерным для любого из элементов 18 питания в источнике 12 питания. Элемент 18 питания содержит диоды 26 для выпрямления трехфазной мощности, по меньшей мере, один конденсатор 28 для сглаживания результирующего DC тока и коммутирующие устройства 30. Элемент 18 питания может представлять собой элемент питания, как описано в Патенте США № 5625545, содержание которого включено во всей своей полноте в настоящий документ посредством ссылки.
Система 10 содержит схему 40 предзаряда, соединенную с тремя низковольтными АС линиями питания трехфазной распределительной системы и с одной из вторичных обмоток 24 трансформатора 16 источника 12 питания. Схема 40 предзаряда содержит трансформатор 42, контактор 44 и импедансные элементы 46 (например, один импедансный элемент для каждой фазовой ветви).
Трансформатор 42 может содержать сердечник (не показан), первичные обмотки (не показаны), магнитно связанные с сердечником трансформатора 42, и вторичные обмотки (не показаны), магнитно связанные с сердечником трансформатора 42. Первичные обмотки трансформатора 42 соединены с тремя низковольтными АС линиями питания, а вторичные обмотки трансформатора 42 соединены с контактором 44.
Контактор 44 может быть трехфазным контактором и может содержать любое количество вспомогательных контактов (не показаны), как известно в технике. Импедансные элементы 46 подсоединены между контактором 44 и одной из вторичных обмоток 24 трансформатора 16 источника 12 питания. Согласно различным вариантам осуществления импедансные элементы 46 могут быть конденсаторами, индуктивностями, резисторами или любыми комбинациями указанного. Согласно различным вариантам осуществления каждая фазовая ветвь может иметь свой собственный импедансный элемент 46, подсоединенный между контактором 44 и одной из вторичных обмоток 24. Согласно другим вариантам осуществления только две фазовые ветви могут иметь свой собственный импедансный элемент 46, подсоединенный между контактором 44 и одной из вторичных обмоток 24.
При работе низковольтная трехфазная АС питающая мощность подается на контактор 44 и импедансные элементы 46 для возбуждения одной из вторичных обмоток 24 трансформатора 16. После того как все конденсаторы 28 элемента 18 питания заряжены и после того как магнитный поток в сердечнике 20 трансформатора 16 стабилизировался, главный контактор 14 замыкается. Вскоре после этого контактор 44 размыкается.
При работе источника 12 питания вторичные обмотки 24 трансформатора 16 могут переносить большое синфазное напряжение (упоминаемое как заземление). Для эффективного блокирования этого синфазного напряжения от попадания обратно в низковольтные АС линии питания, подсоединенные к контактору 44, может потребоваться, чтобы контактор 44 был контактором, рассчитанным на среднее напряжение. Для обеспечения того, чтобы амплитуда и фаза напряжения, доставляемого трансформатором 42 во вторичную обмотку 24, соединенную с импедансными элементами 46, были теми же, что и амплитуда и фаза напряжения, доставляемого во вторичную обмотку 24 трансформатором 16, трансформатор 42 может быть выполнен как низковольтный трансформатор с изоляцией среднего напряжения и возможностью регулировки фазы. Например, первичные обмотки трансформатора 42 могут быть первичными обмотками, рассчитанными на низкое напряжение, вторичные обмотки трансформатора 42 могут быть вторичными обмотками, рассчитанными на низкое напряжение, и изоляция между первичными обмотками и вторичными обмотками может быть структурирована и выполнена для блокирования среднего напряжения. Трансформатор 42 может быть структурирован и выполнен для регулирования его фазового сдвига, чтобы учитывать любые различия между трехфазной мощностью, прикладываемой к контактору 44, и мощностью, прикладываемой трансформатором 16 к вторичной обмотке, которая соединена со схемой 40 предзаряда.
Фиг.3 иллюстрирует различные воплощения системы 50 для ограничения АС пускового тока к источнику 12 питания. Для наглядности части на фиг.3 показаны в обычном однолинейном формате. Система 50 содержит схему 52 предзаряда, соединенную с тремя низковольтными АС линиями питания трехфазной распределительной системы. Схема 52 предзаряда содержит первый низковольтный контактор 54, второй низковольтный контактор 56, первые низковольтные импедансные элементы 58 (например, один первый низковольтный импедансный элемент для каждой фазовой ветви), вторые низковольтные импедансные элементы 60 (например, один второй низковольтный импедансный элемент для каждой фазовой ветви) и три обмотки 62.
Первый низковольтный контактор 54 может быть трехфазным контактором и может содержать любое число вспомогательных контактов (не показаны), как известно в технике. Первый низковольтный контактор 54 соединен с тремя низковольтными АС линиями питания. Второй низковольтный контактор 56 может быть трехфазным контактором и может содержать любое число вспомогательных контактов (не показаны), как известно в технике. Второй низковольтный контактор 56 соединен с тремя низковольтными АС линиями питания.
Первые низковольтные импедансные элементы 58 подсоединены между первым низковольтным контактором 54 и обмотками 62. Вторые низковольтные импедансные элементы 60 подсоединены между вторым низковольтным контактором 56 и обмотками 62. Согласно различным вариантам осуществления первые низковольтные импедансные элементы 58 могут быть конденсаторами, причем конденсаторы 58 могут быть выбраны так, чтобы иметь, по существу, тот же импеданс, что и намагничивающий импеданс трансформатора 16. Вторые низковольтные импедансные элементы 60 могут быть резисторами, причем резисторы 60 могут быть выбраны так, чтобы иметь импеданс порядка примерно одной десятой импеданса конденсаторов 58.
Согласно различным вариантам осуществления каждая фазовая ветвь может иметь свой собственный первый низковольтный импедансный элемент 58 и свой собственный второй низковольтный импедансный элемент 60, соединенный с соответствующей обмоткой 62. В таких вариантах осуществления схема 54 предзаряда может содержать три первых низковольтных импедансных элемента 58 (один для каждой фазы) и три вторых низковольтных импедансных элемента 60 (один для каждой фазы). Согласно другим вариантам осуществления только две фазовые ветви могут иметь свой собственный первый низковольтный импедансный элемент 58 и свой собственный второй низковольтный импедансный элемент 60. В таких вариантах осуществления схема 54 предзаряда может содержать два первых низковольтных импедансных элемента 58 и два вторых низковольтных импедансных элемента 60.
Три обмотки 62 магнитно связаны с сердечником 20 трансформатора 16 и выполнены как вторичные обмотки трансформатора 16. Как показано на фиг. 3, согласно различным вариантам осуществления три обмотки 62 могут быть соединены по схеме звезды, причем схема 52 предзаряда может также содержать резистор 64, соединенный с нейтральной точкой обмоток 62, соединенных по схеме звезды, и опорным потенциалом (например, землей). При использовании соединения по схеме звезды, показанного на фиг. 3, система 10 выполнена с возможностью формирования трех векторов, разнесенных на 120°.
Поскольку каждый из компонентов схемы 52 предзаряда рассчитан на низкое напряжение, компоненты в принципе имеют меньшие габариты и более дешевы, чем сопоставимые компоненты среднего напряжения или высоковольтные компоненты, не требуют каких либо плакированных металлических отсеков и могут быть скомпонованы при меньших расстояниях с учетом удара и ползучести, чем сопоставимые компоненты среднего напряжения или высоковольтные компоненты.
При работе для вариантов осуществления, где каждая фазовая ветвь имеет свои собственные первый и второй низковольтные импедансные элементы 58, 60, первый низковольтный контактор 54 замыкается, тем самым позволяя току протекать в три обмотки 62 через первые низковольтные импедансные элементы 58. Если первые низковольтные импедансные элементы 58 являются конденсаторами, то падение напряжения на каждом конденсаторе 58 может служить для усиления располагаемого напряжения источника предзаряда. Это позволяет завершать процесс предзаряда, даже если располагаемое напряжение источника предзаряда ниже своего номинального значения. Так как низковольтная трехфазная АС электрическая мощность может быть на частоте 60 Гц, и каждый из первых низковольтных импедансных элементов 58 может иметь большой импеданс на частоте 60 Гц, первые низковольтные импедансные элементы 58 могут служить для ограничения начального тока, текущего в три обмотки 62, до относительно малого значения. Поскольку три обмотки 62 и каждая из вторичных обмоток 24 магнитно связаны с сердечником 20 трансформатора 16, то три обмотки 62 могут пропускать напряжение на элементы 18 питания, несмотря на то, что ни одна из трех обмоток 62 не связана непосредственно с любым из элементов питания.
Если в схеме источника 12 питания возникает неисправность, препятствующая достижению полного заряда на конденсаторах 28 элементов 18 питания, то ограниченный ток, протекающий через первый низковольтный контактор 54 и первые низковольтные импедансные элементы 58, позволит избежать или минимизировать любое дальнейшее повреждение. Кроме того, поскольку первые низковольтные импедансные элементы 58 являются реактивными и, таким образом, имеют очень низкие потери, то первые низковольтные импедансные элементы 58 могут надежно оставаться соединенными достаточно долго для того, чтобы обнаружить неисправность, и процесс предзаряда может быть прерван.
Если напряжение (V2), подаваемое на три обмотки 62, становится, по существу, равным напряжению (V1), подаваемому на первый низковольтный контактор 54, то второй низковольтный контактор 56 замыкается. Замыкание второго низковольтного контактора 56 эффективно шунтирует первые низковольтные импедансные элементы 58 вторыми низковольтными импедансными элементами 60 в каждой фазовой ветви. Резонансный контур, образованный конденсаторами 58 и намагничивающей индуктивностью трансформатора 16, становится затем контуром со сверхкритическим затуханием, так что напряжение (V2), подаваемое на три обмотки 62, в основном, удерживается на той же амплитуде, что и у напряжения (V1), подаваемого на первый низковольтный контактор 54. Результирующее снижение импеданса служит для снижения ошибки по фазе между напряжением (V2), подаваемым на три обмотки 62, и напряжением (V1), подаваемым на первый и/или второй низковольтные контакторы 54, 56. Поэтому вторые низковольтные импедансные элементы 60 могут также служить для обеспечения того, чтобы все три фазы напряжения (V2), подаваемого на три обмотки 62, были, по существу, сбалансированными. Кроме того, вторые низковольтные импедансные элементы 60 могут также служить для обеспечения того, чтобы фазовый угол напряжения (V2), подаваемого на три обмотки 62, был, по существу, равным фазовому углу напряжения (V1), подаваемого на первый низковольтный контактор 54.
После того как вспомогательный контакт второго низковольтного контактора 56 подтвердит, что второй низковольтный контактор 56 замкнут, первый низковольтный контактор 54 размыкается, тем самым отсоединяя первые низковольтные импедансные элементы 58 от низковольтных трехфазных АС линий питания. После того как вспомогательный контакт первого низковольтного контактора 54 подтвердит, что первый низковольтный контактор 54 разомкнулся, подается питание на главный контактор 14 источника 12 питания. После того как вспомогательный контакт главного контактора 14 подтвердит, что главный контактор 14 замкнулся, второй низковольтный контактор 56 размыкается.
Фиг.4 иллюстрирует различные воплощения системы 70 для ограничения АС пускового тока к источнику 12 питания. Для наглядности части на фиг.4 показаны в обычном однолинейном формате. Система 70 подобна системе 50, но отличается тем, что три обмотки 62 соединены таким образом, что образуется фазовый сдвиг 180°, по сравнению с системой 50. При таком выполнении система 70 формирует три вектора, которые расположены посредине между векторами, формируемыми системой 50. Поэтому путем соединения обмоток 62, как показано на фиг.3 и фиг.4, всего шесть векторов могут быть сформированы с интервалом 60°. Фаза обмоток 62 может, таким образом, быть согласована с источником низковольтной трехфазной АС электрической мощности питания в пределах 30°. Известно, что если фаза напряжения на трансформаторе в течение периода предзаряда существенно отличается от фазы напряжения на трансформаторе в ходе нормальной операции, то внезапное изменение фазы, которое может происходить, когда главный контактор 14 замыкается, может вызвать насыщение трансформатора и большие пусковые токи, несмотря на то, что магнитный поток ранее был стабилизирован. Во многих применениях согласование фазы в пределах 30°, в общем случае, достаточно, чтобы предотвратить насыщение трансформатора и появление больших пусковых токов.
Фиг.5 иллюстрирует различные воплощения системы 80 для ограничения АС пускового тока к источнику 12 питания. Для наглядности части на фиг.5 показаны в обычном однолинейном формате. Система 80 подобна системе 50, но отличается тем, что три обмотки 62 соединены по схеме треугольника и схема 52 предзаряда может содержать резисторы 82 вместо резистора 64. Каждый резистор 82 соединен с отличающимся узлом обмоток 62, соединенных по схеме треугольника, и опорным потенциалом (например, землей).
Фиг.6 иллюстрирует различные воплощения системы 90 для ограничения АС пускового тока к источнику 12 питания. Для наглядности части на фиг.6 показаны в обычном однолинейном формате. Система 90 подобна системе 80, но отличается тем, что три обмотки 62 соединены таким образом, что образуется фазовый сдвиг 180° по сравнению с системой 80. При таком выполнении система 90 формирует три вектора, которые расположены посредине между векторами, формируемыми системой 80. Поэтому путем соединения обмоток 62, как показано на фиг.5 и фиг.6, всего шесть векторов могут быть сформированы с интервалом 60°. Фаза трех обмоток 62 может, таким образом, быть согласована с источником низковольтной трехфазной АС электрической мощности питания в пределах 30°.
В соответствии с различными вариантами осуществления если необходимо достичь согласования фаз, лучшего, чем 30°, то схема 52 предзаряда может содержать обмотки 62, соединенные как по схеме звезды, так и по схеме треугольника, или может содержать дополнительные отводы, чтобы обмотки 62 могли быть соединены как по схеме звезды, так и по схеме треугольника. Поскольку шесть возможных векторов в случае соединения по схеме звезды расположены посредине между шестью возможными векторами в случае соединения по схеме треугольника, то такое выполнение позволит сформировать всего 12 векторов с интервалом 30°. Для таких вариантов осуществления фаза обмоток 62 может быть согласована с источником низковольтной трехфазной АС электрической мощности питания в пределах 15°.
Хотя выше для примера описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации, изменения и адаптации описанных вариантов осуществления могут быть реализованы без отклонения от сущности и объема изобретения, определенных формулой изобретения. Например, три отдельных низковольтных контактора могут быть использованы вместо трехфазного контактора 54. Аналогичным образом три отдельных низковольтных контактора могут быть использованы вместо трехфазного контактора 56.