用於過電壓保護的變壓器的控制方法、變壓器以及具有變壓器的運行裝置的製作方法

2023-06-18 15:49:56 1

專利名稱：用於過電壓保護的變壓器的控制方法、變壓器以及具有變壓器的運行裝置的製作方法
技術領域：
本發明從一種用於控制用於運行可通斷的負荷的變壓器的方法出發，其中，該變壓器具有至少一個電感線圈和一個藉助數字式控制裝置控制的開關。
背景技術：
本發明從一種根據獨立權利要求的種類的用於控制用於運行可通斷的負荷的變壓器的方法出發。在具有有源功率因數校正電路的電子變壓器中，中間電路電壓的選擇對功能性和成本來說具有重要意義。這些變壓器大多設計成沒有電絕緣(所謂的反激拓撲)的簡單升壓斬波電路。它們通常在波動界限(LUckgrenze)時運行，也就是說介于波動和非波動運行之間。存在的問題是，在構件尺寸緊縮並且成本低廉時，不得超過中間電路電壓的某個數值，這是因為否則，中間電路電容器等構件可能會過載和損害耐久性。當輸入電壓略微升高時，變壓器可以通過相應地控制開關，使中間電路電壓繼續保持恆定。如果輸入電壓強烈升高，例如由電網故障引起，則變壓器無法再調節中間電路電壓，於是，中間電路電壓升高。使構件(例如中間電路電容器)被施加負荷。如果在電變壓器處運行一種時間上不連續的負荷，會除了升高了的中間電路電壓之外還為中間電路電容器加載交流電壓和交流電。在很多情況下，這會使構件過載，從而無法避免對構件造成不可逆轉的損壞。所以，在這樣的變壓器中通常使用一個過壓斷路器。通過適當的斷路標準可以減小構件負荷，尤其是反常運行條件下的中間電路電容器的電流負荷和電壓負荷。在符合這種背景技術的電變壓器中測量了中間電路電壓的平均值。這個電壓就是如前文所述的電變壓器的輸出電壓。如果因為輸入電壓升高，無法再通過電變壓器調節，而使這一電壓的平均值超出額定值的109%，則斷開包括負荷在內的整個設備。為此，必要條件是負荷可以斷開。在多種應用情況下，例如在使用服務於氣體放電燈的電子運行裝置時，這不成問題，這是因為一個能夠運行自身的負荷、氣體放電燈的逆變器連接在變壓器的下遊。這個逆變器可以方便地斷開，以便於保護整個運行裝置、避免輸入電壓過高。由於斷開負荷就不會再出現交流電或交流電壓，起到保護變壓器構件、特別是中間電路電容器的作用。這種為人熟知的斷開電路的方法目前的問題在於，它很晚才介入，因而無法實現預期的較小值的構件尺寸。例如，這種為人熟知的斷開電路的方法只在輸入交流電壓為340V時才用於歐洲常見的230V交流電壓的電源電壓。 對變壓器的許多構件來說，這是很高的負荷。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種用於控制用於運行可通斷的負荷的變壓器的方法， 其中，該變壓器具有至少一個電感線圈和一個藉助數字式控制裝置控制的開關，使用這種方法能夠更好地識別過高的輸入電壓。本發明的目的還在於，提供用來實施上述方法的一種變壓器和一種具有這樣一個變壓器的運行裝置。
本發明目的中所述的方法根據本發明通過一種用於控制用於運行可通斷的負荷的變壓器的方法來實現，該變壓器具有至少一個電感線圈和一個藉助數字式控制裝置控制的開關，其中，當開關閉合時，充磁電流流過電感線圈，並且當開關斷開時，退磁電流流過電感線圈，並測出電感線圈的退磁時間，並且將超出電感線圈的退磁時間的最大值的情況存儲為故障情況，其中，當超出預定的故障情況的最大頻率時，通過控制裝置斷開負荷。通過這一措施能夠提早識別升高了的輸入電壓，其中，為了保護變壓器而斷開負荷。對故障頻率進行合理參數化時，在電壓過高現象反覆出現、每次只是短暫發生、並且對變壓器無害的情況下，避免斷開負荷。與此同時，可以相等地對故障情況進行加權，或者根據退磁時間進行加權。此時，優選地通過在波動界限的運行過程中開關的斷路時間測出退磁時間。這樣一來，使得能夠在數字式控制過程中實現簡單並且實際無費用的測量，這是因為開關在波動界限時的運行過程中的斷路時間在一定的原則條件下對於數字式控制來說是已知的。同時，也可以當低於不工作的變壓器的輸出電壓的預定的電壓界限時，重新接通負荷。這樣，就出現一種可逆的故障情況，其中，當排除故障後，整個布置再次轉入正常運行狀態。這樣一來，可以延長使用壽命，並且提高操作舒適度。可通斷的負荷優選地具有逆變器和氣體放電燈，其中可通斷的負荷通過調節逆變器的運行而斷開。因此，整個布置與氣體放電燈的電子運行裝置相匹配，該運行裝置的過電壓保護優於現有技術。本發明目的中所述的運行裝置通過一種具有用於運行可通斷的負荷的電子變壓器的電子運行裝置來實現，該變壓器具有至少一個電感線圈和一個藉助數字式控制裝置控制的開關，其中，當開關閉合時，充磁電流流過電感線圈，並且當開關斷開時，退磁電流流過電感線圈，同時，變壓器實施前述方法。本發明目的中所述的變壓器通過一種用於運行可通斷的負荷的電子變壓器來實現，該變壓器具有至少一個電感線圈和一個藉助數字式控制裝置控制的開關，其中，當開關閉合時，為電感線圈充磁的電流流過，並且當開關斷開時，為電感線圈退磁的電流流過，其特徵在於，電子變壓器實施上述方法。變壓器優選地設計成功率因數校正電路。電子運行裝置優選地具有氣體放電燈作為可通斷的負荷，其中，在電子運行裝置的變壓器和氣體放電燈之間設置由控制裝置控制、 並且同時承擔轉換作用的逆變器。如果啟動氣體放電燈，則優選地不實施這種方法。根據本發明的用於控制變壓器的方法的其它有利的改進方案和設計方案從其它從屬權利要求和以下描述中得出。


本發明的其它優點、特點和細節根據以下的對實施例的說明以及根據附圖得出， 圖中採用相同的參考標號來表示相同的或功能相同的元件。圖中示出圖1示出為可通斷的負荷供電並實施根據本發明的方法的變壓器的示意圖，圖2示出作為用於運行氣體放電燈的電子運行裝置的一部分的變壓器的示意圖，圖3示出實施根據本發明的方法的變壓器的扼流電和開關電壓，圖如示出實施根據本發明的方法的變壓器的輸入電壓和輸出電壓，圖4b示出在波動界限的運行過程的時間段內的開關斷路時間變化，
圖如示出採用第一種實施方式時的斷路功能示意圖。
具體實施例方式圖1示出為可通斷的負荷供電並實施根據本發明的方法的變壓器10的示意圖。變壓器10具有自身已知的功率因數校正電路的拓撲。電感線圈L和開關S的串聯電路與輸入電壓Vi並聯。二極體D和中間電路電容器Czk的串聯電路與開關S並聯。輸出電壓Vtj施加在中間電路電容器Cai上。開關S和可通斷的負荷51按照根據本發明的方法由控制裝置 20控制。控制裝置20獲得變壓器10的輸出電壓Vq作為輸入端參數，輸出電壓同時還是中間電路電壓。控制裝置20具有存儲器21，按照根據本發明的方法，在電感線圈L的退磁時間的基礎上，將故障情況存儲在存儲器中。另外，在存儲器21中不僅存儲故障情況的數量， 還存儲它們出現的時間，以便於隨後可以根據本發明的方法計算故障情況出現的頻率。圖2示出作為用於運行氣體放電燈的電子運行裝置一部分的變壓器示意圖。這裡再次將前面已經描述過的功率因數校正電路10用作變壓器。控制裝置20通過分壓器來接收功率因數校正電路10的輸出電壓信號。此處將運行氣體放電燈5的逆變器30作為可通斷的負荷51。根據一般慣例，這裡是指低壓氣體放電燈，但是利用根據本發明的方法同樣可以很好地驅動高壓放電燈或者由一個或多個半導體光源組成的模塊。逆變器採用一般的布置方法，也就是說，可以使用例如半橋式逆變器或全橋式逆變器。同樣地，還可以考慮使用單端變壓器，例如E級變壓器。如圖1和圖2所示，功率因數校正電路不測量輸入電壓。出於多種原因沒有加入這一功能。一方面，每多測一個測量值都需要有投入，從而產生費用。另一方面，在許多國家存在關於與電源電壓相連接的電路部件的嚴格規範，這會進一步增加測量這一電壓的投入和成本費用。功率因數校正電路不能直接測量輸入電壓的數值，而只能間接得出。如前文所述，截至目前使用的、本文開頭提到的方法太不準確，以至於無法在出現最低輸入電壓時斷開可通斷的負荷。根據本發明，為了識別輸入電壓的大小，此處考慮了與開關S在波動界限時的運行過程中的斷路時間相匹配的電感線圈L的退磁時間。退磁時間是指流過電感線圈L的電流在一個迴路內從最大值降為零的時間。電感線圈L在下文中還稱為扼流圈 L。通過反饋控制的開關S的斷路時間，在波動界限時的運行過程中與退磁時間相同，它在出現升壓斬波時可以衡量當前的輸入電壓與輸出電壓之間的差異。此處，藉助圖3來說明這種相互關係。圖3中上方的曲線示出通過開關S的電壓 Vs，下方的曲線示出流過二極體D和扼流圈L的變壓器電流I。三角形的電流特性曲線對於扼流變壓器來說十分典型，其中，通過扼流圈的充電和放電傳輸電能。在波動運行或在波動界限時的運行過程中，流過扼流圈L的電流總是降為零。從兩條曲線可以看出，當電流升高並且扼流圈充電時接通開關S。在這段時間內，通過開關S的電壓為零。而在斷路階段，通過開關的電壓是與扼流圈L後面的輸入電壓相匹配的電壓。在這段時間中，流過扼流圈L的電流再次下降，直到大約20μ s後趨近於零。在此，接通電晶體的時間長度總是大致相同。 所以，隨後迎來輸入電壓的扼流電的峰值，並且變壓器具有功率因數校正電路的特性。接通時長由調節功能預定。通過電源調節，接通時長恆定，並且取決於系統功率。扼流圈的放電時長，在波動界限時的運行過程中與開關S的斷路時長相等地設置，但是根據輸入電壓比和輸出電壓與輸入電壓的差異而變化。因此，可以列出以下數學等式t。ff = tQn· ；7 ； 此時，t。n如前文所述，可以視為大致恆定不變。圖4示出的幾幅圖是對根據本發明的方法的解釋說明。圖如示出實施根據本發明的方法的變壓器的輸入電壓Vi和輸出電壓\。輸入電壓Vi具有典型的、矯正的、與歐洲電網中相同的IOOHz正弦。輸出電壓Vtj合計高於輸入電壓Vi,這是因為在功率因數校正電路中關係到升壓斬波，其輸出電壓\總是大於輸入電壓\。輸出電壓\的平均值此時為例如420V。如果輸入電壓Vi過大，即輸入電壓Vi的峰值超過320V時，開關S的斷路時間t。ff 的電源電壓峰值也會相應升高。圖4b示出在變壓器10波動界限時的運行過程中的開關斷路時間t。ff的變化。通過上下排列的圖的時間解析度相同，由此易於看出，斷路時間t。ff總是在輸入電壓Vi與輸出電壓Vtj之間的差異最大時，即總是在電源峰值附近，達到其最大值。 如果電源電壓過高，則斷路時間t。ff也會達到高於正常運行的數值。因為控制裝置20已知了斷路時間t。ff，所以控制裝置能夠監控超出預定最大值的斷路時間，並且在超出時根據本發明將故障情況存儲在存儲器21中。此時，存儲器21優選地是控制裝置20的組成部分。 當然，同樣也可以很好地直接測出放電時長，即扼流圈的退磁時間kE，這個時間與開關S在波動界限時的運行過程中的斷路時間t。ff相匹配。如果變壓器不是功率因數校正電路並且在波動界限時的運行過程中工作，就可以不再考慮開關S的斷路時間，而是必須直接測出放電時長，即扼流圈L的退磁時間t『在出現故障情況的同時，還可以存儲一個時間戳。時間戳記錄的是出現故障情況的準確時間。預定的斷路時間最大值t。ffflax，與預定的退磁時間最大值、Emax相匹配，在圖4b中以一條水平線示出，在這一實施例中為40μ S。在波動界限時的運行過程中，只要斷路時間 t。ff=沁大於40 μ S，就會存儲故障情況。此外，啟用通過數學手段描述這一情況的功能， 進行較簡單的處理。這在下文中稱為斷路功能F(t)。在最簡單的情況下，當超出預定的最大值、Emax(=在波動界限時的運行過程中的t。ffmax)從而出現故障情況時，斷路功能數值為
1，否則為0 F⑴=\l·' Γ ^這項功能在圖如中沿時間軸示出。從這一功
能中現在可以推導出各種不同的算法，用於分析存儲的各種故障情況。在第一種實施方式的最簡單的情況下，在一定時間段內測出故障頻率。當故障頻率大於預定值時，控制裝置20 斷開逆變器30，並從而斷開氣體放電燈5。以下根據在一段預定的時間段內累計的故障情況數量將故障情況的出現頻率定義為故障頻率。如果輸入電壓過高，則故障頻率也會不斷升高，直到設備斷開、或者故障頻率在僅僅短時間升高的情況下重新緩慢下降。所以，電子運行裝置不能持續記錄輸入電壓Vi的短期升高，並且會快速地重新過渡到正常運行狀態。根據測出故障頻率的時間段的不同長度， 可以達到超限的斷路狀態或允許狀態。這個時間段越短，斷路狀態就越超限。這個時間段越長，斷開逆變器30時的凸起部分就越平緩。設備只在過壓狀態持續存在時斷開。在這一方案中，控制裝置20在斷開後當然還能繼續運行並監控直流變壓器的輸出電壓，以便於能夠在必要時重新接通該設備。但是，這無法再根據扼流圈L的退磁時間、E來評估。當負荷斷開時，控制裝置20斷開直流變壓器，使它不再工作。然後，在穩定的電流電路的基礎上， 變壓器的輸出電壓I基本上與輸入電壓Vi的峰值(負荷電流故障時峰值整流)相同。因此，在這種情況下，或多或少地可以直接通過輸出電壓\測出輸入電壓\。如果輸出電壓 Vi再次低於預定的最低輸出電壓值，則控制裝置20可以重新接通負荷，即接通逆變器30， 並從而使氣體放電燈5再次投入運行。在根據本發明的方法的另一種實施方式中，斷路功能F(t)還可以有兩個或兩個以上的數值，這些數值由退磁時間IYe(相應於開關S在波動界限時的運行過程中的斷路
時間t。ff)的兩個或兩個以上的閾值得出
權利要求
1.一種用於控制用於運行可通斷的負荷(51)的變壓器(10)的方法，其中-所述變壓器具有至少一個電感線圈(L)，和-所述變壓器具有一個開關(S)，所述開關藉助數字式控制裝置00)控制，其中-當所述開關閉合時，充磁電流流過所述電感線圈，並且-當所述開關斷開時，退磁電流流過所述電感線圈，其特徵在於，-測出所述電感線圈(L)的退磁時間(、E)，並且-將超出所述電感線圈(L)的所述退磁時間(、E)的最大值(、Emax)的情況存儲為故障情況，其中當超出所述故障情況的預定的最大頻率時，通過所述控制裝置00)斷開所述負荷 (51)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過在預定的時間段內所述故障情況的累計次數來定義所述故障情況的頻率。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，分別相等地對各個故障情況進行加權。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，根據所述電感線圈(L)的所述退磁時間 (tLE)對各個故障情況進行加權。
5.根據權利要求2-4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述預定的時間段隨當前時間彈性變化。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過確定在波動界限的運行過程中所述開關(S)的斷路時間(t。ff)測出所述退磁時間(『)。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，當低於預定的變壓器輸出電壓(V。)時，重新接通所述負荷(51)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述可通斷的負荷(51)具有由所述控制裝置OO)控制的逆變器(30)和氣體放電燈(5)，其中所述可通斷的負荷(51) 通過調節所述逆變器(30)的運行而斷開。
9.一種用於運行可通斷的負荷(51)的電子變壓器(10)，其中-所述變壓器具有至少一個電感線圈(L)，和-所述變壓器具有一個開關(S)，所述開關藉助數字式控制裝置00)控制，其中-當所述開關閉合時，為所述電感線圈充磁的電流流過，並且-當所述開關斷開時，為所述電感線圈退磁的電流流過，其特徵在於，所述電子變壓器 (10)實施根據權利要求1-8中任一項所述的方法。
10.根據權利要求9所述的電子變壓器(10)，其特徵在於，所述變壓器(10)設計成功率因數校正電路。
11.一種用於運行氣體放電燈(5)的電子運行裝置，其特徵在於，所述電子運行裝置具有根據權利要求9或10所述的電子變壓器(10)，其中，負荷是所述氣體放電燈(5)。
12.根據權利要求11所述的電子運行裝置，其特徵在於，所述電子運行裝置還具有逆變器(30)，所述逆變器設計用於接通和斷開所述氣體放電燈(5)。
13.根據權利要求11或12中任一項所述的電子運行裝置，其特徵在於，在所述氣體放電燈(5)的啟動過程中，不實施根據權利要求1-8中任一項所述的方法。
全文摘要
本發明涉及一種用於控制用於運行可通斷的負荷(51)的變壓器(10)的方法，該變壓器具有至少一個電感線圈(L)和一個藉助數字式控制裝置(20)控制的開關(5)，其中，當開關(5)閉合時，充磁電流流過電感線圈(L)，並且當開關(5)斷開時，退磁電流流過電感線圈(L)，和測出電感線圈的退磁時間，並且將超出電感線圈(L)的退磁時間的最大值的情況存儲為故障情況，其中，當超出故障情況的預定的最大頻率時，通過控制裝置(20)斷開負荷。本發明還涉及實施本方法的一種電子變壓器和一種用於氣體放電燈的電子運行裝置。
文檔編號H05B41/285GK102474964SQ201080035643
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月23日 優先權日2009年8月10日
發明者阿韋德·斯託爾姆 申請人:歐司朗股份有限公司