CN104995831B - 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 - Google Patents
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Abstract
负载控制设备包括分别可连接到AC源和AC负载的输入和输出，采用每条对应于负载的相的一条或多条电源线将输入和输出连接。线路侧开关在线路端子和负载端子之间连接，并且浮动中性侧开关一端连接到负载端子以及另一端在公共中性连接处连接。控制器确定每条电源上的电流流动方向，基于所确定的电流流动方向确定每个线路侧开关和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得线路侧开关和浮动中性侧开关中的每个开关以导通状态或关断状态操作，从而为AC负载提供受控的不间断电流。
Description
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。
根据本发明的另一方面，用于控制从AC电源到AC负载的电压施加和电流供给的控制设备包括，将AC电源的线路端子连接到AC负载的负载端子的一条或多条电源线，每条电源线对应于AC负载的相。控制设备还包括在导通状态和关断状态之间可选择地切换的多个开关，从而控制电压和电流从AC电源到AC负载的传输，多个开关进一步包括，连接到在线路端子和负载端子之间的电源线的一组线路侧开关，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的线路侧开关；以及一端连接到电源线并且另一端在公共连接处连接到一起的一组浮动中性侧开关，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的浮动中性侧开关。开关具有采用用于反向电流流动的二极管的单向控制。当电机端子的电压高于线路侧的电压时，电流流过开关的二极管，其在开关处于关断状态时发生。控制设备进一步包括处理器，该处理器编程为识别每条电源线上的电流为正电流或负电流，基于所识别的正和负电流确定每个线路侧开关和每个浮动中性侧开关的切换模式，以及根据所确定的切换模式选择性地以导通状态或关断状态操作每个线路侧开关和每个浮动中性侧开关，其中根据所确定的切换模式切换多个开关在切换多个开关期间向AC负载提供在开关和二极管之间的不间断电流流动。
根据本发明的又一方面，用于控制到AC负载的电流流动的方法包括提供在AC电源和AC负载之间串联的电路的步骤，该电路包括多个开关，该多个开关形成连接到在AC电源的线路端子和AC负载的负载端子之间的一条或多条电源线的一组线路侧开关，以及一端连接到一条或多条电源线并且另一端在公共连接处连接到一起的一组浮动中性侧开关。方法还包括选择性地以有源模式和续流模式操作电路的步骤，从而选择性地在有源操作模式期间向负载端子提供全相位电压并且在续流操作模式期间向负载端子提供零电压，其中操作电路的步骤进一步包括识别一条或多条电源线中的每条电源线的电流为正电流或者负电流，基于所识别的正和负电流确定具有用于每个线路侧开关和每个浮动中性侧开关的限定频率和占空比的切换模式，以及根据所确定的切换模式选择性地以导通状态或关断状态操作多个线路侧开关中的每个线路侧开关和多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关，其中根据所确定的切换模式切换多个开关在切换多个开关期间向AC负载提供连续电流流动。
以下详细描述和附图将使本发明的各种其它特征和优点更加显而易见。
附图说明
附图示出目前预期用于实施本发明的优选实施例。
在附图中：
图1是根据本发明实施例的用于以受控方式控制到AC负载的三相AC电流的AC负载或电机控制设备的示意图。
图2是示出根据本发明实施例的用于切换图1中负载控制设备的IGBT的切换逻辑的表。
图3是具有示出图2的切换逻辑的矢量作为矢量控制的矢量图。
图4是根据本发明实施例的示出图1中电机控制设备的控制器的输出电流(例如负载/电机电流)和IGBT的栅极信号的图。
图5是根据本发明实施例的示出由图1的负载控制设备产生的低占空比和高占空比循环的负载端子电压的图。
图6是根据本发明实施例的示出当从有源操作模式转换到续流操作模式时，用于切换图1中电机控制设备的IGBT的切换逻辑的图。
图7是根据本发明实施例的用于以受控形式控制到AC负载的单相AC电流的负载控制设备的示意图。
具体实施方式
在本文中陈述的本发明的实施例涉及向诸如AC感应电机的负载提供受控不间断电流的系统以及方法。提出包括其中在启动期间限制到AC负载的瞬态电压和电流的多个开关的电机控制设备，具有电机控制设备中实施用于控制开关以使得AC负载的电流连续的控制方案的控制器。
参考图1，示出用于与本发明的实施例一起使用的三相AC负载10。根据一个实施例，AC负载10包括一个或多个感应电机，其中借助于电磁感应由定子提供电力到其转子(未示出)，而AC负载10在操作上分别通过对应的电源线14，16和18连接到三相AC源12a-12c，从而从其接收电力。因此，出于参考的目的，电源线14对应于相A，电源线16对应于相B以及电源线18对应于相C。如图1所示，执行由AC源12a-12c产生的AC波形到用于向AC负载10输入的另一AC波形的AC到AC转换的电机控制设备20在AC源12a-12c与AC负载10之间连接。在本发明的示例性实施例中，电机控制设备20包括被配置为限制启动期间到AC负载10的浪涌电流的软启动器，导致避免浪涌电流的“软”电机启动，并且因此电机控制设备在下文中指软启动器。然而理解为本发明的实施例并不限于软启动器拓扑结构并且可合并到诸如AC电机驱动器的其它电机控制设备和其他相关设备中。一般而言，控制设备20使用三相AC电源电压作为输入，并且为负载提供受控的AC电压或电流。
在图1中示出软启动器20的基本结构(即软启动器的电路21)如包括连接到电源线14，16，18的多个开关22，24，26，28，30，32，每个开关具有单向控制并且与用于反向电流流动的二极管34反并联耦接，从而控制电流流动并且依次控制AC负载10的端子电压。根据本发明的示例性实施例，开关为IGBT的形式，并且因此开关在下文中一般指IGBT。IGBT目前是在许多感应电机驱动应用中的公共技术，然而注意的是“IGBT”应该理解为可被任意导通或关断的任何开关(以包括几十kHz以及更高的高频的任何频率)。取决于电压级别，电力级别以及其它考虑因素可使用其它种类的例如诸如MOSFET或者MCT(MOS控制的晶闸管)的电子开关。
根据本发明的一个示例性实施例，在软启动器中提供六个IGBT 22，24，26，28，30，32的布置。三个IGBT 22，24，26连接在AC源12a-12c的线路端子36和AC负载10的负载端子38之间，并且因此在本文中称为“线路侧IGBT”。在本文中称为“浮动中性侧IGBT”的其它三个IGBT 28，30，32在一端连接到负载端子38，另一端在公共连接40处连接到一起。该公共连接40形成在本文中称为“浮动中性点”的位置，限定词“浮动”用于将该点与其不连接到的负载中性或者源中性区分开。如图1所示，对应于相的数量(即三相)提供六个IGBT，每相具有一个“线路侧IGBT”和一个“浮动中性侧IGBT”。然而理解为可预想任何数量的相，并且因此可容易地从三相示例中扩展本发明的实施例，一般每相具有两个IGBT，如随后将更加详细讨论的，存在对于要求两个“线路侧IGBT”(对于线路和返回每个各一个)以及类似的两个“浮动中性侧IGBT”的单相系统情况的特别考虑。
根据本发明的一个实施例，软启动器20包括用于感测至少两个负载端子38中的电流的装置，诸如位于两条或多条电源线14，16，18上的传感器42。传感器42还可被配置为感测电源线14，16，18上的电压。此外，根据本发明的一个实施例，电容器44位于线路端子36和线路侧IGBT 22，24，26之间以便提供缓冲。因为IGBT 22，24，26，28，30，32根据期望控制方案(下面将更加详细地解释)的控制为AC负载10提供受控的不间断负载电流，从而避免对于更大电容器和/或在一起的电容器的需要，所以在该电容器44可包括在软启动器20中的同时理解为电容器的尺寸/电容量较小。
软启动器20中同样包括被配置为经由到其上的栅极驱动信号切换IGBT 22，24，26，28，30，32的控制器或处理器46。在AC负载10的启动(或者停止/制动)期间，控制器46运行为选择性地使每个IGBT以导通或者关断状态操作，从而控制施加到AC负载10的电流流动(以及进而电压)。根据本发明的实施例，控制器46被配置并且编程为实施切换模式控制方案，该方案提供了对于在电源线14，16，18上供给到负载端子38的电流的完全控制，同时提供负载电感中的永不中断的电流。
在实施用于IGBT 22，24，26，28，30，32的切换控制方案或模式中，控制器46首先实施启动AC负载10的初始例程。根据该初始例程的一个实施例，在开始处，对所有线路侧IGBT22，24，26一起施加脉冲。电流然后根据该瞬时时间上的相对相电压幅值，以通过电流传感器42测量/检测的电流方向流动。根据本发明的另一实施例，不是以电流传感器42的方式来测量实际电流，而是测量线电压，从该测量确定IGBT 22，24，26，28，30，32中的哪些应当导通。
随后执行初始例程，控制器46基于每条电源线14，16，18上所感测的电流流动方向(正或负)来控制IGBT 22，24，26，28，30，32到导通或者关断状态的切换。更具体的是，无论哪一相(或者两相)的电流为正，则对应的线路侧IGBT 22，24，26导通并且全部其它IGBT关断，或者可替代地另外两相(或者一相)中的浮动中性侧IGBT 28，30，32导通并且全部其它IGBT关断。在以这种方式经由控制器46控制IGBT在导通状态和关断状态操作时，使电流一直流过AC负载10。
在图2中概述以上所描述的切换逻辑，其中IGBT 22，24，26，28，30，32的切换主要由任意给定时间上每个相的电流标记来管理。参考图2，并且继续参考图1，“正”电流应理解为“大于零”，或者“大于小的正数”，并且对于“负”电流类似。这是用于在噪声出现时的清除实施，并且从而避免在电流信号正好为零时的控制紊乱。作为控制器46实施图2所示切换逻辑的结果，负载端子38将看到如由源所提供的全相电压(Va＝Van，Vb＝Vbn和Vc＝Vcn)，或者所有三相中的零电压(Va＝Vb＝Vc＝0)。第一实例指“有源期间”，而后者指“续流期间”。“有源”模式/期间指能量从源传递到负载(如机器的电机模式)，或者从负载到源(如电机或者发电机的发电、再生或者制动模式)，“续流”模式/期间与其相反，在“续流”模式/期间任何能量传递一般限制于负载(尽管在驱动和线路中损耗)。
为了对由控制器46施加的用于控制IGBT 22，24，26，28，30，32的操作的切换逻辑提供更好的理解，以下陈述几个实施例。
示例1
在第一示例中，作为初始例程的结果，确定电流Ia为正同时Ib和Ic为负(情况U)。然后，IGBT 22(即相A中的线路侧IGBT)保持导通，并且所有其它IGBT 24，26，28，30，32关断或者保持关断。然后在有源期间向负载端子38施加全线路电压。这是图2中的子情况U1。在该情况U期间的任何时间(即“控制时间”)，通过关断IGBT 22并且导通IGBT 30，32(子情况U2)可将负载端子38的电压从线电压切换为零，从而转换为续流期间。IGBT 30，32是不在相A中的两个浮动中性侧IGBT。因此“控制时间”将情况U分为两个期间，第一为有源期间，第二为续流期间。有源期间相对于有源期间与续流期间之和的比率称为占空比，并且是控制向AC负载10提供的平均电压的关键元素。
因此在有源期间，电流从源12a-12c(相A电压Van)流过AC负载10，并且然后经由与IGBT 24，26反并联的二极管34返回到源12a-12c。在续流期间，电流连续不间断地通过与IGBT 28反并联的二极管34并且然后通过IGBT 30，32。
可理解的是只要电流Ia为正并且电流Ib和Ic为负(即情况U)，就可以从子情况U1反复切换到子情况U2，回到子情况U1，然后子情况U2等等。将IGBT 22，24，26，28，30，32的这种切换发生的频率理解为系统切换频率，并且将每个循环中切换多长时间表示为占空比。这种切换频率优选为相的数量(通常为3)和电源频率(通常为60Hz或者50Hz)的倍数，因为其它频率产生电流的DC分量，并且一般是不期望的。例如，切换频率可以是180Hz的倍数(或者是三倍60Hz的倍数，假定60Hz是线频率)。总之，频率越高，谐波含量越小，并且切换损耗越高。理解为其它切换频率是可能的；然而由于所得的电流将具有DC分量，将仅在期望该DC分量时使用该频率。
示例2
在第二示例中，诸如Ia和Ib的两个电流为正，而第三电流(Ic)为负。这是图2中的情况V。在这种情况下，这两相中的线路侧IGBT 22，24将在“有源期间”处于导通状态，而所有其它IGBT 26，28，30，32关断(参照子情况V1)。可类似地通过关断这两个开关IGBT 22，24，并且导通第三相中的IGBT 32获得“续流期间”(子情况V2)。
相同的逻辑施加到标记为W，或图2中U’，V’和W’的情况中。特别地，情况U’，V’和W’是情况U，V，W的镜像，即在情况U，V，W中哪个电流为正，则在情况U’，V’和W’中为负，反之亦然。
现在参考图3，并且仍然参考图2，关于控制其三相输出的电机驱动20的矢量控制图示出情况U，V，W，U’，V’和W’。图3的矢量图的对应部分中示出情况U，V，W，U’，V’和W’，同样示出电流Ia，Ib和Ic。
总之，通过控制器46实施的用于切换IGBT 22，24，26，28，30，32的切换逻辑和模式由相A，相B和相C中的电流标记来管理。在每个电流模式内，施加到AC负载10的电压是全线电压(即有源期间)，或者零(即续流期间)，如通过IGBT 22，24，26，28，30，32的切换的占空比控制。导通和关断IGBT 22，24，26，28，30，32的整个频率是可执行以有利地减少其它谐波的附加自由度。
为了进一步阐述本发明的实施例，图4示出控制器46的输出电流(即电机电流)以及从控制器向IGBT提供的用于控制其切换的栅极信号，其中通过控制脉冲的占空比来控制电机电流。如图4所示，对于相A，来自控制器的栅极信号使得对应的线路侧IGBT 22在该相的电流Ia为正(即在有源期间)的同时导通，并且在Ia为负(即在续流期间)的同时关断。当Ia为负时(即在续流期间)，来自控制器的栅极信号使得IGBT 28导通，并且在Ia为正时(即在有源期间)关断。还通过由控制器46产生的栅极信号来实现其它两相上的IGBT 24，26，30，32的类似切换。
现在参考图5，在近似线期间(60Hz分之一)上示出AC负载10的具有低占空比48和(更)高占空比50的负载端子电压。根据占空比，可看到的是端子38处的电压在形状上正好是正弦波，并且它们的幅值平均低于线电压。在这个示例中，切换频率是14＊3＊60＝2520Hz。切换频率的选择是在一端低谐波含量以及另一方面更高切换损耗之间的折衷。可注意的是在启动序列期间，或者从一个启动到另一个期间可容易地改变切换频率，以便减小临界时间的谐波含量或者热耗散，从而可在操作期间动态地改变问题的折中。
在图4和5中，示出具有在循环内均匀的占空比的波形，即从供电期间(例如一个60Hz循环/期间)的开始到结束具有恒定值。作为替代，用户可以选择地设计在期间的开始和结束处较短，而在中间较长的占空比，反之亦然。一般每个期间内的任何模式都是可能的，并且非恒定模式的使用可有利于减小谐波或者可用于任何其它特定目的。
根据本发明的示例性实施例，控制器46进一步被配置并且编程为实施切换控制方案，该方案通过建立IGBT 22，24，26，28，30，32的切换时间的“重叠”而避免在有源期间到续流期间之间的转换期间的电流中断。由于到AC负载10的电流在理想上是不中断的，因为即使是非常短的任何中断都将产生高的di/dt并且导致破坏性的高电压尖峰，所以这种在有源期间和续流期间之间的转换是重要的。
通过示例的方式，图2的情况U中的从有源期间到续流期间的转换(即从情况U1到U2)通过在关断IGBT 22之前将IGBT 30，32导通而实现，如图6所示。所得的重叠的长度并不是关键的，只要其充分长以便防止任何电流中断即可。几十分之一微秒的重叠通常是充分的，并且微秒范围内更长的重叠也可接受。
从正相电流到负相电流的转换也是重要的(诸如，例如从图2中的情况U到情况V)，如同在任何给定相上的线路侧IGBT 22，24，26和浮动中性侧IGBT 28，30，32永不同时导通是必要的，因为这将使该相短路。在任何给定的相中，当电流从正变为负时，确定有源模式的控制IGBT是线路侧IGBT(当电流为正时)，然后是浮动中性侧IGBT(当电流为负时)。当电流的绝对值低于特定阈值时，因此通过控制器46实施适合的预防措施，诸如滤波电流信号从而噪声并不使得电流信号穿过零数次，并且包括在线路侧IGBT和浮动中性侧IGBT两者都不导通期间的滞后带。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，电机控制设备20被配置为运行以便减小在启动期间进入AC负载10的浪涌电流的软启动器。软启动器20运行以便通过控制占空比的幅值来减小启动期间进入AC负载10的浪涌电流，该占空比即操作软启动器20的有源期间相对于有源期间与续流期间之和的比率，如通过由控制器46控制的IGBT 22，24，26，28，30，32的操作状态来确定。根据本发明的一个实施例，在启动AC负载10时，控制器46运行以便使占空比幅值从低(但是非零)幅值开始，而占空比在其达到100％之前随时间变化。这种占空比的变化将具有采用从低电平变化到全电压的电压来激励负载的效果。根据本发明的另一实施例，在启动负载10时，控制器46运行以便使占空比幅值以较短的时间从相对高的幅值开始，并且然后降低占空比，然后在直到其达到100％之前随时间线性变化。这种首先以相对高的占空比幅值启动AC负载10给予系统短时的快速启动(kick start)。一般占空比越高，负载端子38上的电压越高，最高至100％占空比的线电压。将理解的是，占空比可在任何线电压期间内恒定，或者根据任何预定模式变化。占空比控制还可以是时间的函数，在该期间在软启动期间以期望的方式改变转矩。
根据本发明的附加实施例，理解为可改变软启动器20的结构，而仍认为在本发明的范围内。例如，可通过改变图1所示出的软启动器20中IGBT 22，24，26，28，30，32的连接和/或布置实现本发明的不同实施例。例如，可在与图1所示出的相比，其中三个线路侧IGBT22，24，26反接，其中三个浮动中性侧IGBT 28，30，32反接，或者其中全部六个IGBT 22，24，26，28，30，32反接的位置提供软启动器。
有利的是，由控制器46实施的用于切换IGBT 22，24，26，28，30，32的控制方案是使得AC负载10中的电流永不中断。此外，将理解的是，至少部分地通过线频率(50/60Hz)管理IGBT 22，24，26，28，30，32的切换。因此由本发明的系统和方法实施的切换逻辑与其它AC斩波器和驱动设计不同，并且有利地实现比采用现有技术的软启动器更多的负载控制，同时避免对于昂贵无源部件的需求。
现在参考图7，根据本发明的另一实施例，示出与单相系统一起使用的电机控制设备60，其中采用单相AC电源62为AC负载64提供电力。单电源线66连接控制设备60的输入和输出，以便从AC源62传递电力到AC负载64，同时该单相系统中还包括返回线68。电机控制设备60包括连接到电源线66和返回线68的多个开关70，72，74，76(例如IGBT)，每个开关与二极管78反并联耦接从而控制电流流动，并且依次控制AC负载64的端子电压。两个IGBT 70，72是在AC源62的端子和AC负载64的端子之间连接的“线路侧IGBT”，其中每条电源线66和返回线68上具有一个线路侧IGBT。另外两个IGBT 72，74是一端连接到AC负载64的端子并且另一端在公共连接80处连接到一起的“浮动中性侧IGBT”，其中每条电源线66和返回线68上具有一个浮动中性侧IGBT。
与图1所示的电机控制设备20类似，图7中的电机控制设备60也包括被配置为经由到其上的栅极驱动信号的传输来控制IGBT 70，72，74，76的操作的控制器或处理器46。在AC负载64的启动(或者停止/制动)期间，控制器46运行以便选择性地使得每个IGBT 70，72，74，76以导通或者关断状态操作，从而控制施加到AC负载64的电流流动(并且因此控制电压)。根据本发明的实施例，将控制器46配置并且编程为实施切换模式控制方案，该方案提供了对于在电源线66上供给到AC负载64的电流的全面控制，同时在负载电感中提供永不中断的电流。
所公开的方法和装置的技术贡献是其提供用于在其启动期间为AC负载提供连续电流的计算机实现技术，如与斩波器控制和一些SCR控制的电机控制器中的断续电流相反。该技术控制电机控制设备中的多个IGBT的切换，从而通过控制设备的占空比幅值限制在启动期间到AC负载的瞬态电压和电流，并且进一步控制多个IGBT的切换以便使得AC负载中的电流永不中断。
因此，根据本发明的一个实施例，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负载的一相；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流动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，这样为AC负载提供受控的不间断电流。
根据本发明的另一实施例，用于控制从AC电源到AC负载的电压施加和电流供给的控制设备包括将AC电源的线路端子连接到AC负载的负载端子的一条或多条电源线，每条电源线对应于AC负载的一相。控制设备还包括多个开关，其可选择地在导通状态和关断状态之间切换，从而控制电压和电流从AC电源到AC负载的传输，多个开关进一步包括连接到在线路端子和负载端子之间的电源线使得每条电源线包括至少一个连接到其上的线路侧开关的一组线路侧开关，以及一端连接到电源线并且另一端在公共连接处连接到一起使得每条电源线包括至少一个连接到其上的浮动中性侧开关的一组浮动中性侧开关。控制设备进一步包括处理器，该处理器编程为识别每条电源线上的电流为正电流或负电流，基于所识别的正和负电流确定每个线路侧开关和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选择性地以导通状态或关断状态操作每个线路侧开关和每个浮动中性侧开关，其中根据所确定的切换模式切换多个开关为AC负载在切换多个开关期间提供不间断电流流动。
根据本发明的又一实施例，用于控制到AC负载的电流流动的方法包括提供在AC电源和AC负载之间串联的电路的步骤，电路包括多个开关，该多个开关形成连接到在AC电源的线路端子和AC负载的负载端子之间的一条或多条电源线的一组线路侧开关，以及一端连接到一条或多条电源线并且另一端在公共连接处连接到一起的一组浮动中性侧开关。方法还包括选择性地以有源模式和续流模式操作电路的步骤，从而选择性地在有源操作模式期间为负载端子提供全相电压，并且在续流操作模式期间为负载端子提供零电压，其中操作电路的步骤进一步包括识别一条或多条电源线中每一条电源线上的电流为正电流或者负电流，基于所识别的正和负电流确定具有用于每个线路侧开关和每个浮动中性侧开关的限定频率和占空比的切换模式，并且根据所确定的切换模式选择性地以导通状态或关断状态操作多个线路侧开关中的每个线路侧开关和多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关，其中根据所确定的切换模式切换多个开关在切换多个开关期间向AC负载提供连续电流流动。
已经根据优选实施例的形式描述了本发明，并且理解的是除这些明确说明之外的等效、替代和修改是可能的，并且落入所附权利要求的范围内。
Claims (19)
1.一种负载控制设备，用于控制到AC负载的电流流动，所述负载控制设备包括：
电路，所述电路包括：
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；
一条或多条电源线，其连接所述输入和输出以将电力从所述AC源传递到所述AC负载，每条电源线对应于所述AC负载的相；
多个线路侧开关，其在所述线路端子和所述负载端子之间连接，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的线路侧开关；以及
多个浮动中性侧开关，其一端连接到所述负载端子并且另一端在公共连接处连接到一起，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的浮动中性侧开关；以及
控制器，其连接到所述电路并且被配置为：
确定每条电源线上的电流流动方向；
基于每条电源线上的所确定的电流流动方向确定所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及所述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；以及
根据所确定的切换模式使所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及所述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，从而向所述AC负载提供受控的不间断电流流动；
其中在以有源模式操作所述电路时，所述控制器进一步被配置为：
使电源线上的所述线路侧开关具有正电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述线路侧开关具有负电流，从而以所述关断状态操作；
使所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关以所述关断状态操作；
其中在以续流模式操作所述电路时，所述控制器进一步被配置为：
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有负电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有正电流，从而以所述关断状态操作；以及
使所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以所述关断状态操作。
2.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述AC负载包括单相负载，并且所述一条或多条电源线包括一条用于将电力从所述AC源传递到所述AC负载的电源线，并且其中返回线进一步附接到所述单相负载。
3.如权利要求2所述的负载控制设备，其中所述多个线路侧开关包括两个线路侧开关，其中一个线路侧开关连接到所述电源线，并且一个线路侧开关连接到所述返回线；以及
其中所述多个浮动中性侧开关包括两个浮动中性侧开关，其中一个浮动中性侧开关连接到所述电源线，并且一个浮动中性侧开关连接到所述返回线。
4.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述AC负载包括具有对应于每相的电源线的多相负载，并且其中所述多个线路侧开关包括每相一个线路侧开关，并且所述多个浮动中性侧开关包括每相一个浮动中性侧开关。
5.如权利要求1所述的负载控制设备，其中在确定所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及所述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中，所述控制器进一步被配置为：
确定在所述电路的所述有源模式期间使得向所述负载端子提供全相电压的切换模式；以及
确定在所述电路的所述续流模式期间使得向所述负载端子提供零电压的切换模式。
6.如权利要求5所述的负载控制设备，其中所述控制器进一步被配置为基于所述负载控制设备的期望占空比来确定有源模式和续流模式中的每个模式的所述电路的操作时段。
7.如权利要求6所述的负载控制设备，其中所述控制器被配置为调节所述占空比的幅值，从而控制施加到所述AC负载的平均电压。
8.如权利要求6所述的负载控制设备，其中所述控制器被配置为调节每个供电期间内所述占空比的幅值，从而控制电流波形。
9.如权利要求5所述的负载控制设备，其中所述控制器被配置为控制所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关在从有源模式转换到续流模式期间的切换，使得向所述AC负载提供不间断电流流动。
10.如权利要求9所述的负载控制设备，其中在从有源模式转换到续流模式中，所述控制器被配置为在将有源模式期间以所述导通状态操作的所述线路侧开关关断之前，将在续流模式期间要以所述导通状态操作的所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关导通。
11.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述多个线路侧开关和所述多个浮动中性侧开关包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
12.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述控制器被配置为根据预定的切换频率控制所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以及所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关在所述导通状态和所述关断状态之间的切换，所述切换频率为所述AC负载的相数和所述电源频率的乘积的倍数。
13.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述控制器被配置为当相应的电源线经历从正电流到负电流之间的转换时，防止相同电源线上的浮动中性侧开关和线路侧开关同时处于所述导通状态。
14.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述电路进一步包括以与所述多个线路侧开关和浮动中性侧开关中的每个开关以反并联布置而放置的二极管。
15.如权利要求1所述的负载控制设备，其中所述电路被配置为提供用于以受控方式启动和停止所述AC负载的能力。
16.一种控制设备，用于控制从AC电源到AC负载的电压施加和电流供给，所述控制设备包括：
一条或多条电源线，其将所述AC电源的线路端子连接到所述AC负载的负载端子，每条电源线对应于所述AC负载的一相；
多个开关，其在导通状态和关断状态之间可选择性地切换，从而控制电压和电流从AC电源到AC负载的传输，所述多个开关包括：
一组线路侧开关，其连接到在所述线路端子和所述负载端子之间的所述电源线，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的线路侧开关；以及
一组浮动中性侧开关，其一端连接到所述电源线并且另一端在公共连接处连接到一起，使得每条电源线包括至少一个连接到其上的浮动中性侧开关；以及
处理器，其被编程为：
识别每条电源线上的电流为正电流或负电流，
基于所识别的正电流和负电流确定每个所述线路侧开关和每个所述浮动中性侧开关的切换模式；以及
根据所确定的切换模式选择性地以所述导通状态或所述关断状态操作每个所述线路侧开关和每个所述浮动中性侧开关；
其中根据所确定的切换模式切换所述多个开关为所述AC负载在所述多个开关的切换期间提供不间断电流流动；
其中在以有源模式操作所述控制设备时，所述处理器被编程为：
使电源线上的所述线路侧开关具有正电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述线路侧开关具有负电流，从而以所述关断状态操作；以及
使所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关以所述关断状态操作；
其中在以续流模式操作所述控制设备时，所述处理器被编程为：
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有负电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有正电流，从而以所述关断状态操作；以及
使所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以所述关断状态操作。
17.如权利要求16所述的控制设备，其中所述处理器进一步被编程为选择性地以所述导通状态或所述关断状态操作所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关和所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关，从而以有源模式和续流模式中的一个模式操作所述控制设备；
其中在AC负载操作的有源模式期间向所述负载端子提供全相电压，并且在AC负载操作的续流模式期间向所述负载端子提供零电压。
18.如权利要求16所述的控制设备，其中所述处理器被编程为控制每个所述线路侧开关以及每个所述浮动中性侧开关在从有源模式转换到续流模式期间的切换，所述处理器被编程为将在有源模式期间以所述导通状态操作的线路侧IGBT关断之前，将在续流模式期间要以所述导通状态操作的所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关导通。
19.一种方法，用于控制到AC负载的电流流动，所述方法包括：
提供在AC电源和所述AC负载之间串联的电路，所述电路包括多个开关，所述多个开关形成连接到在所述AC电源的线路端子和所述AC负载的负载端子之间的一条或多条电源线的一组线路侧开关，以及一端连接到所述一条或多条电源线并且另一端在公共连接处连接到一起的一组浮动中性侧开关；
选择性地以有源模式和续流模式操作所述电路，从而选择性地在操作的有源模式期间向所述负载端子提供全相电压，并且在操作的续流模式期间向所述负载端子提供零电压，其中操作所述电路包括：
识别所述一条或多条电源线中的每条电源线上的电流为正电流或者负电流；
基于所识别的正电流和负电流，确定具有用于每个所述线路侧开关和每个所述浮动中性侧开关的限定频率和占空比的切换模式；以及
根据所确定的切换模式选择性地以导通状态或关断状态操作所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关和所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关；
其中根据所确定的切换模式切换所述多个开关，为所述AC负载在所述多个开关的切换期间提供连续电流流动；
其中以有源模式操作所述电路包括：
使电源线上的所述线路侧开关具有正电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述线路侧开关具有负电流，从而以所述关断状态操作；以及
使所述多个浮动中性侧开关中的每个浮动中性侧开关以所述关断状态操作；
其中以续流模式操作所述电路包括：
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有负电流，从而以所述导通状态操作；
使电源线上的所述浮动中性侧开关具有正电流，从而以所述关断状态操作；以及
使所述多个线路侧开关中的每个线路侧开关以所述关断状态操作。
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