[发明专利]用于软启动电机和其它应用的AC到AC转换器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及AC到AC电子转换器，并且更特别地涉及用于提供AC负载(例如AC电机)的软启动以及包括管理三相AC负载的其它相关操作的AC到AC转换器及其操作方法。

背景技术

AC到AC转换器用于将AC电压转换为另一AC电压。通常在工业中使用的AC到AC转换器的一种类型是软启动器，其是使得采用减小的浪涌电流平滑启动AC感应电机成为可能的工业控制设备。软启动器通常采用可控硅整流器(SCR)以便减小施加到电机上的电压，并且因而减小到电机的启动浪涌电流。尽管SCR可被任意导通，但是因为SCR在电流为零时自然关断，所以不能以动态并且可控方式将其关断。因此SCR缺少提供电流的精确控制的期望能力，可期望采用电流的更多控制以便减小谐波，减小热耗散，并且进一步改进AC电机启动，重启以及停止特性。

使动态以及可控电流中断成为可能的例如诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的其它器件是可用的。已经将IGBT用于以诸如通过首先整流进入AC电压，采用电容器来平滑DC电压，并且然后采用六个IGBT(三相全桥DC到AC逆变器)将其逆变的各种方式来启动电机。然而，这种IGBT的使用通常受限于复杂的“电机驱动器”，并且尽管IGBT在电机驱动器中的使用运行良好，但是集成IGBT的电机驱动器通常明显比软启动器昂贵。尽管可避免/消除电机驱动器中的某些元件以试图减小成本，诸如通过使用矩阵结构来避免使用DC连接，但是这种转换器使用更多的器件并且也是高成本的。

已经用于提供可控电流中断的另一种电路类型称作“AC斩波器”。在AC斩波器中，以典型为高的给定频率(kHz或者更高)将IGBT切换为导通和关断。在较大程度上，切换在计时和相位方面与进入电压分离。这使得必须在AC斩波器中使用电容器，以便在IGBT关断时提供机器电感中的能量路径，因为在关断时刻留在电感中的能量可产生与L＊di/dt成比例的大的电压尖峰。这些电容器需要是大的，通常与机器电感相称。这样，最后AC斩波器需要诸如电容器的大的无源元件，因而导致高成本。

因此将期望提供可以平滑、方便地启动、操作并且停止(制动)AC负载以及特别是电子AC电机，并且与传统的基于SCR的软启动器相比具有更多的控制，还比驱动器、矩阵式转换器或者AC斩波器成本更低的系统及其操作方法。

发明内容

本发明提出用于为诸如AC感应电机的AC负载提供不间断电流的系统和方法。提出其中包括具有简单的软启动器类型拓扑结构/布置的多个开关的控制设备，具有在启动期间限制到AC负载的瞬态电压和电流的开关。负载控制设备中的控制器实施用于控制开关以使得AC负载中的电流永不间断的控制方案。

根据本发明的一方面，控制到AC负载的电流流动的负载控制设备包括电路，该电路具有可连接到AC源的线路端子的输入；可连接到AC负载的负载端子的输出；连接输入和输出以便将电力从AC源传递到AC负载的一条或多条电源线，每条电源线对应于AC负载的相；在线路端子和负载端子之间连接的多个线路侧开关，每条电源线包括至少一个连接到其上的线路侧开关；以及一端连接到负载端子并且另一端在公共连接处连接到一起的多个浮动中性侧开关，每条电源线包括至少一个连接到其上的浮动中性侧开关。负载控制设备还包括控制器，该控制器连接到电路并且被配置为确定每条电源线上的电流流动方向，基于每条电源线上所确定的电流方向确定多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关的切换模式，并且根据所确定的切换模式使多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关以导通状态或者关断状态操作，从而为AC负载提供受控的不间断电流流动。