自动转换开关电器控制方法及自动转换开关电器

摘要

本发明公开了一种自动转换开关电器控制方法。所述自动转换开关电器包括使用机械式转换开关的自动转换开关以及与所述自动转换开关并联的电力电子装置，所述电力电子装置包括整流模块和功率模块，用于在自动转换开关进行电源切换的过程中为负载短时提供电能；在自动转换开关进行电源切换的过程中，对所述电力电子装置进行以下的环流抑制控制：从所述机械式转换开关的物理分闸时刻开始，以所述电力电子装置的功率模块所输出各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制，直至经由所述机械式转换开关输出的电流为0。本发明还公开了一种自动转换开关电器。本发明能够有效抑制环流，从而实现电力电子装置的设计优化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动转换开关电器(ATSE)。

背景技术

自动转换开关电器(ATSE)主要应用在紧急供电系统中，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源。在转换过程中，机械触头分离时会产生燃弧，燃弧的存在使得机械触头即使分离但电路仍然保持导通状态。若不及时将燃弧熄灭，则可能引起两路电源短路的故障。为了提高可靠性，ATSE除了设计常规的灭弧室外，还需控制开关的转换速度不能过快，转换时间通常设计成30ms或更长，这就导致了转换过程中负载的断电时间会较长。

对于一些对连续供电要求较高的设备，传统的机械式ATSE就难以满足其工作要求。为满足负载设备供电持续性需求，宜选用0级ATSE，一般采用在线式UPS或STS，但是这些产品价格较高、体积较大，且维护成本高，正常运行时损耗相对较大，对负载设备有特殊规定要求。

为了解决既能够确保负载供电的持续性，又能够快速地使燃弧熄灭，确保双路电源切换时的可靠性，中国发明专利(公开号为CN105024450A，公开日为2015/11/4)中公开了一种可满足高敏感负载的供电需求且具有高可靠性的双电源自动转换装置，将电力电子技术和传统机械式ATSE相结合，在ATSE两路电源切换过程中，运用电力电子逆变技术对负载进行短时供能，从而保障负载用电的可靠性和连续性。

为了减小体积、降低成本，该专利提出的自动转换开关电器，采用了不隔离电路拓扑，通过整流桥、功率模块以及开关形成了环流回路，环流分量无益于负载供能，反而给功率模块凭空增加了负担，一旦环流过大，容易引起模块过流过热等故障，形成安全隐患且降低效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种自动转换开关电器控制方法，能够有效抑制环流，确保电力电子装置可靠工作，从而实现短时供能的电力电子装置设计容量小、体积小、损耗低、可靠性高。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

自动转换开关电器控制方法，所述自动转换开关电器包括使用机械式转换开关的自动转换开关以及与所述自动转换开关并联的电力电子装置，所述电力电子装置包括整流模块和功率模块，用于在自动转换开关进行电源切换的过程中为负载短时提供电能；在自动转换开关进行电源切换的过程中，对所述电力电子装置进行以下的环流抑制控制：从所述机械式转换开关的物理分闸时刻开始，以所述电力电子装置的功率模块所输出各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制，直至经由所述机械式转换开关输出的电流为0。

优选方案之一，在所述环流抑制控制完成后，以所述电力电子装置输出的电压满足负载要求为目标对所述电力电子装置进行控制，直至经由所述机械式转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述机械式转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，所述电力电子装置停止对负载的输出。

优选方案之二，在所述环流抑制控制完成后，以所述电力电子装置输出的电压满足负载要求为目标对所述电力电子装置进行控制；当经由所述机械式转换开关输出的电流再次出现时，再次以所述电力电子装置的功率模块所输出的各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制，直至所述机械式转换开关的物理合闸时刻，所述电力电子装置停止对负载的输出。

优选地，所述电力电子装置还包括设置于整流模块与功率模块之间的直流滤波器以及设置于功率模块之后的交流滤波器。

进一步优选地，通过电压外环、电流内环的双闭环控制方法对所述电力电子装置进行PMW控制。

更进一步优选地，在以所述电力电子装置的功率模块所输出的各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制的过程中，以所述电力电子装置输出的电压满足负载要求为目标对负载电压进行调节，得到三相电压指令U

根据同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种自动转换开关电器，包括使用机械式转换开关的自动转换开关以及与所述自动转换开关并联的电力电子装置，所述电力电子装置用于在自动转换开关进行电源切换的过程中为负载短时提供电能；该自动转换开关电器使用如上任一技术方案所述控制方法。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可在燃弧模式下抑制环流，确保设备安全可靠；

2、本发明可采用无隔离的电路拓扑，硬件成本低，体积小，损耗低。

附图说明

图1为本发明的基本原理示意图；

图2为本发明自动转换开关电器一个具体实施例的电路结构示意图；

图3为具体实施例中机械式转换开关物理分闸后的控制原理示意图；

图4为环流抑制算法的算法流程示意图；

图5为具体实施例中机械式转换开关燃弧熄灭后的控制原理示意图；

图6为具体实施例中机械式转换开关物理合闸前的控制原理示意图。

具体实施方式

针对现有带短时供能电力电子装置的自动转换开关电器在燃弧模式下的环流问题，本发明的解决思路是通过在燃弧模式(即在切换电源过程中，机械式转换开关的动静触头之间存在燃弧的情况下，机械式转换开关的动触头和静触头分离和接触可实现其所在线路的分断和接通)下对电力电子装置的输出电流进行合理控制来实现对环流的有效抑制，以确保电力电子装置的可靠工作，从而实现短时供能的电力电子装置设计容量小、体积小、损耗低、可靠性高。

具体而言，本发明所提出的自动转换开关电器控制方法，所述自动转换开关电器包括使用机械式转换开关的自动转换开关以及与所述自动转换开关并联的电力电子装置，所述电力电子装置包括整流模块和功率模块，用于在自动转换开关进行电源切换的过程中为负载短时提供电能；在自动转换开关进行电源切换的过程中，对所述电力电子装置进行以下的环流抑制控制：从所述机械式转换开关的物理分闸时刻开始，以所述电力电子装置的功率模块所输出各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制，直至经由所述机械式转换开关输出的电流为0。

采用以上的环流抑制控制可有效抑制机械式转换开关分闸时由于燃弧所导致的环流。在所述环流抑制控制完成后，以所述电力电子装置输出的电压满足负载要求为目标对所述电力电子装置进行控制，直至经由所述机械式转换开关输出的电流再次出现，或者直至所述机械式转换开关的物理合闸时刻，或者直至达到预设延时时间后，所述电力电子装置停止对负载的输出。

在上述情况中所述的“所述机械式转换开关输出的电流再次出现”指的是机械式转换开关的物理分闸时刻产生燃弧的动静触头之间的电弧重燃，或者是在接通另一路电源之前机械式转换开关的动触头与另一路电源回路中的静触头之间的空气被击穿产生燃弧，或者是机械式转换开关的动触头与另一路电源回路中的静触头相接触产生电流。

在上述情况中所述的“达到预设延时时间后，所述电力电子装置停止对负载的输出”，指的是，在电力电子装置独立供电达到规定时间后，认为负载已经恢复供电的情况下，在保证后续机械式转换开关接通另一路电源的时间小于负载供电的最大允许断电时间时，电力电子装置可提前退出，不再进行输出。

然而，在部分特殊情况下，机械式转换开关在合闸瞬间也会产生比较强烈的燃弧现象，并且在机械式转换开关的动静触头接触时，动触头会产生弹跳现象，动静触头之间产生燃弧，机械式转换开关这种情况也可能导致环流的出现，为解决这一问题，本发明提出以下进一步改进方案：

在所述环流抑制控制完成后，以所述电力电子装置输出的电压满足负载要求为目标对所述电力电子装置进行控制；当经由所述机械式转换开关输出的电流再次出现时，再次以所述电力电子装置的功率模块所输出的各相电流之和为0为控制目标对所述电力电子装置进行控制，直至所述机械式转换开关的物理合闸时刻(物理合闸时刻指的是，动触头与静触头稳定接触，不再产生弹跳现象)，所述电力电子装置停止对负载的输出。

为了便于公众理解，下面以最常见的双电源转换系统为例，并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了采用本发明自动转换开关电器的混合式双电源转换系统的基本结构，如图1所示，其中的自动转换开关电器包括使用机械式转换开关的双电源自动转换开关以及与所述双电源自动转换开关并联的电力电子装置；两路电源S1、S2的输出端分别连接该电力电子装置的输入支路，电源S1与输入支路L1相连的输出端连接机械式转换开关(单刀双掷)的输入端a，电源S2与输入支路L2相连的输出端连接机械式转换开关(单刀双掷)的输入端c，机械式转换开关的输出端b通过机械式转换开关输出支路与负载连接，电源S1/S2通过输入支路L1/L2连接电力电子装置及电力电子装置输出支路L3,电力电子装置输出支路L3与机械式转换开关输出支路L4连接后共同连接至负载；本实施例中的电力电子装置除必要的输入侧整流桥、功率模块、控制器以外，在整流桥与功率模块之间还连接有直流滤波器，在功率模块与输出支路L3之间还连接有交流滤波器。

在机械式转换开关转换过程中，控制器控制电力电子装置对机械式转换开关上产生的电弧进行主动调控，使电弧能量衰减，直至电弧熄灭，过程中会产生环流；控制器通过对电力电子装置进行调控来抑制环流，具体可分为以下三个阶段：

阶段一、机械式转换开关的输出端b与机械式转换开关的输入端a连接，此时电源S1为负载供电，当需要切换到电源S2为负载供电时，机械式转换开关进行分断，动静触头分离(由于动静触头之间燃弧的存在，此时动静触头在电气上仍为连通状态，为做区别，本发明称其为物理分闸)后，产生燃弧，机械式转换开关输出支路L4通过燃弧电流(可通过设置于P点与机械式转换开关之间的电流互感器进行检测)与产生燃弧电流的机械式转换开关所在支路(b、a点连起来的支路)相连，再连接到电力电子装置的输入支路，通过整流桥、受控导通的功率模块构成环流回路，形成环流I

阶段二、机械式转换开关转换过程中，检测到第一燃弧电流为零后，表明燃弧已熄灭；这一阶段，电力电子装置不再对输出支路L3输出电流进行控制，仅对输出负载电压进行调控，给负载供能；

阶段三、机械式转换开关开始接通另一路电源S2时，机械式转换开关动静触头之间产生燃弧，当检测到燃弧电流后，控制器控制电力电子装置输出支路L3输出电流之和为零，直到完成整个机械转换过程(即机械式转换开关到达物理合闸时刻)，电力电子装置停止对负载进行供能的同时，停止对输出支路L3输出电流进行控制。

阶段三种产生燃弧的可能原因有两个，在接通电源S2之前机械式转换开关的动触头与电源S2所处回路中的静触头之间的空气被击穿产生燃弧，或者是机械式转换开关的动触头与电源S2回路中的静触头相接后，动触头发生弹跳引起的燃弧。

图2显示了上述自动转换开关电器在三相四线制系统中的具体电路，如图2所示，其主要包括电源S1、电源S2、机械式自动转换开关ATS、电力电子装置以及用于控制电力电子装置的控制器。电源S1和电源S2可分别作为常用电源和备用电源。电力电子装置的输出端与负载相连，负载通过ATS与电源相连。控制器用于将采样得到的各个信息进行处理，并通过设定的算法进行电流电压控制运算，最终通过四桥臂调制生成PWM信号。在自动转换开关进行电源切换的过程中，具体按照以下方法对所述电力电子装置进行控制，以抑制自动转换开关进行电源切换的过程中产生的环流：

阶段一、电源S1通过机械式转换开关给负载供电，当需要切换到电源S2给负载供电时，ATS进行分断，电源S1供电回路中的机械式转换开关的动静触头分离后，动静触头之间产生燃弧(即A和A1之间)，电力电子装置与产生燃弧的机械式转换开关所在支路构成环流回路，如图3所示，假设机械式转换开关分断后A相的机械式转换开关的动静触头之间存在燃弧，则电源S1或S2的任意一相，假设为电源S1的A相，通过输入支路L

或者是C相的机械式转换开关的动静触头之间存在燃弧产生燃弧(即C和C1之间产生燃弧)，L

或者是相间存在环流，如图2所示，电源S1的C相机械式转换开关动静触头分离时，电源S1的A相电源输出与C相的产生燃弧的机械式转换开关所在支路以及电力电子装置构成环流回路；

又或者是两路电源之间存在环流，例如电源S1输出支路L

总之，只要满足A、B、C三相中某一相桥臂受控导通时，对应该相的机械式转换开关的动静触头之间存在燃弧，与整流输入的其他相或者另一路电源输出支路之间都可以构成环流回路，形成环流；同时，环流的方向与功率模块受控导通桥臂相关，例如对比图2、图3，功率模块A相上桥臂受控导通、C相机械式转换开关分断时的环流支路与功率模块A相下桥臂受控导通、C相机械式转换开关分断时的环流支路电流方向相反。

这一阶段的环流抑制控制方法如图4所示，电力电子装置通过电压外环、电流内环双闭环控制对负载电压U

其中负载电压U

如图所示，因为桥臂输出电压的参考点均为负母线电压N

根据矢量推导：

得出N桥臂的占空比后，其他三相桥臂根据T

阶段二、机械式转换开关转换过程中，检测到燃弧电流为零后，可以认为燃弧已经熄灭，无法构成环流回路。为避免采样误差及干扰等多种扰动因素导致环流抑制算法给出零序分量偏置，影响正常供能输出，如图5所示，电力电子装置不再进行环流抑制算法，仅通过输出支路L3对P点负载电压进行调控，给负载供能。

阶段三、机械式转换开关开始接通电源S2时，检测到机械式转换开关中再次出现电流，如图6所示，继续进行图4所示的环流抑制算法，通过控制输出支路L3各相电流之和为零，来抑制环流，直到完成整个机械转换过程(即机械式转换开关到达物理合闸时刻)，电力电子装置停止对负载进行供能的同时，停止环流抑制算法。

输出电流之和＝各相电容Ca、Cb、Cc中的电流之和+负载各相电流之和+环流电流

而各相电容Ca、Cb、Cc中的电流之和以及负载各相电流之和在正常情况(不出现漏电等情况)下为0，因此只要将桥臂输出电流之和控成0，就可以使得环流电流为0。

综上，通过采用本发明控制方法，实现了机械式转换开关分断、转换、接通整个过程中的环流抑制，确保了设备的可靠性，降低了功率模块输出压力，提高了效率，同时在开关转换期间，向负载提供电能，缩短了负载的断电时间。