[发明专利]具有集成固态断路器的软起动器AC-AC转换器及其操作方法

说明书

本公开提供了一种AC‑AC电源转换器，诸如马达软起动器，该AC‑AC电源转换器包括：输入，该输入可用断开开关来连接到AC源；输出，该输出可连接到AC负载；以及相线，该相线连接输入和输出以传输电力。直列固态开关块分别连接在AC源和AC负载的线路端子和负载端子之间，使得每条相线包括连接到其的固态开关块。续流固态开关块在一端处连接到负载端子并且在另一端处一起连接在公共连接处，使得每条相线包括连接到其的续流固态开关块。直列固态开关块和续流固态开关块中的每一者包括双向开关块，该双向开关块选择性地在两个方向上控制电流并承受电压。开关块还提供软起动器功能、变速控制、以及集成电路断路器保护能力。

背景技术

本发明整体涉及AC-AC电源转换电路，并且更具体地涉及在其中集成有固态断路器的软起动器AC-AC电源转换电路及其操作方法。

AC-AC转换器用于将一个交流电压转换为另一个交流电压。工业中常用的一种类型的AC-AC转换器是软起动器，其是可以通过控制从AC电源到感应马达的电压和电流的传输来平稳地起动AC感应马达而同时减小浪涌电流的工业控制设备。软起动器被配置为在起动期间限制到感应马达的瞬态电压和电流，从而造成“软”马达起动。在操作中，来自AC源的电力经过软起动器中的开关设备(诸如呈晶闸管或可控硅整流器(SCR)形式的一对反并联固态开关)，以控制电流，并且进而控制感应马达的端子电压。

通常，软起动器在起动期间暂时地减小马达的动力系中的负载和扭矩。这种减小允许减小马达和电网上的应力，这会增加系统的使用寿命。软起动器或马达驱动器允许经由对晶闸管的选择性控制来减小输入到马达的电压或电流，其中晶闸管被控制来以如在电压变为正时所测量的给定角度接通。产生的电流流过给定相，直到它们达到零为止，此时晶闸管关断。这种模式在电压中形成“陷波”。陷波宽度越大，施加到马达的rms电压越小。由于扭矩是rms电压的平方的函数，因此陷波宽度越大，扭矩越小。如果陷波宽度为零，则向马达施加全电压。通常，软起动过程会持续几秒，在其结束时，系统将达到其最终速度，并且接触器将闭合以绕过软起动器。

在本领域中采用软起动器(或其他AC-AC转换器)时，应认识到，需要保护设备(诸如断路器部件)来为软起动器配电系统提供保护。用于提供这种保护的当前工业实践是在软起动器的外部包括上游机电断路器。在软起动器的外部或内部出现故障条件的情况下，断路器用于通过中断流过软起动器配电系统的电流来保护该软起动器配电系统。然而，应认识到，传统机电断路器具有有限的响应时间，并且当存在故障条件时，可能会使能量从源传递到软起动器。因此，即使存在断路器，也会因在其中的过应力部件(例如SCR)而对软起动器造成损坏，因为在断路器响应时间期间流向软起动器的附加能量可能足以导致此类部件故障。

最近，已开发了固态断路器来代替传统断路器，与传统断路器相比，这种固态断路器有益地具有更短的响应时间。然而，应认识到，使用固态断路器为软起动器提供保护仍不能提供最佳解决方案。也就是说，因为固态断路器仍在软起动器的外部，因此这会增加成本、布线和连接、额外的空间和重量。另外，现有固态断路器可能无法在更高电流电平(诸如在马达/负载起动期间存在的浪涌电流下可能出现的电流电平)下提供保护，因为断路器中的固态开关始终处于完全地选通的状态并可能承受过长时间的热应力。因此，当不使用软起动器时，固态断路器可能不适合防止浪涌电流，该浪涌电流可能比额定电流高6至7倍并可能持续数秒钟。

如上所述，应认识到，在软起动器的外部的现有断路器设计(无论是传统机电开关断路器还是固态断路器)在短路条件下都无法为软起动器提供充分而全面的保护(当使用机电断路器时)，或实施成本太高(对于固态断路器)。此外，应认识到，在使用SCR的软起动器的架构本身缺乏用于针对故障条件提供足够的保护的装置。也就是说，无法控制软起动器中的故障电流条件，因为无法控制通常在软起动器中常见的晶闸管/SCR的布置来在故障条件(诸如短路)期间终止流过软起动器的电力流。

因此，期望的是提供用于在软起动器的内部或外部发生故障时保护软起动器的系统和方法。

发明内容