基于LC桥式换流的船用静态切换开关设计
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摘 要：为了满足船舶设备对供电质量的苛刻要求，研发设计了一种针对双路电源切换的船用静态切换开关系统。静态切换开关装置由LC谐振换电流模块、数字触发模块、DSP数字控制系统模块等组成。设计了一套全新的LC桥式谐振辅助换电流电路，为了避免谐振旁路上的多余电量流入负载，利用主用晶闸管吸收多余电量，同时不必串联反馈二极管但是却又能达到馈能的效果，降低了系统的功耗；为了避免谐振电流急速上升，将一个适当阻值的功率电阻串联在谐振旁路电容与电感之间。通过大量的实验证明，系统切换工作完全可以控制在8 ms以内，完成了连续供电的要求。
关键词：静态切换开关 LC 换流 船舶
中图分类号：TP273.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0072-03
Abstract：In order to meet severe requirements of ship for power quality， static transfer switch （STS） is a dual power switching system. STS mainly contains the LC bridge-type auxiliary resonant convertor circuit， the circuit of digital trigger and the control circuit of DSP. This paper puts forward a new LC bridge-type auxiliary convertor circuit. To prevent the injection of remaining power on resonant bypass into the load， the main SCR is used to absorb excess power on the resonant capacitor， and without using serial feedback diode， the feedback of power can be executed which reduces the power consumption. In order to avoid the rapid rise in the resonant current， a proper power resistor is added between capacitor and inductor on the resonant bypass of the circuit. A large number of experiments show that the design can complete the switch within 8 ms and it can be up to a continuous power supply requirements.
Key Words：Static Transfer Switch；LC；Convertor Circuit；Ship
普通的静态切换开关[1-4] 换电流方式采用电流自然过零的切换方式，这种不使用任何辅助关断电路的换流方式在切换过程中不会有环流产生，但是两路电源切换时所需的时间较长，难以满足敏感负载对连续供电的苛刻要求；采用馈能二极管的换电流方式[5]采用了一组无源LC辅助元件，能够满足双向换电流的要求，此种换电流方式缺点是需要馈能二极管串联在主回路中，不仅需要解决散热问题，还增加了系统的功耗；LC谐振辅助换电流方式在双电源切换过程中，电容上的残余电量会注入至负载，导致负载要承受巨大的电压尖峰冲击，这将会对负载等设备造成难以预测的后果；强制换电流方式因为受到负载功率因数以及两路电源相位、幅值等多方面因素的影响，双电源切换时间最大可能大于10 ms，供给电源的实时性很难达到要求，这就导致难以满足敏感负载对电源连续供电的要求。基于此，有必要研究一种新的换电流方式解决已有换电流方式存在的种种问题。该文提出了一种改进的lc桥式谐振辅助换流方式。
1 静态切换开关系统
如图1所示，静态切换开关系统框架。该系统主要由LC谐振换流模块、数字触发模块、DSP数字控制系统模块以及信号检测模块等组成。系统对两路电源进行实时检测，DSP对采集的信号进行一系列的数学处理，实时监测主用电源异常变化，如果某一时刻检测出异常，第一时间触发相应的数字脉冲，该脉冲信号触发LC换流电路中相应的晶闸管门极，这样主用电源首先换电流至LC桥式谐振旁路，然后通过LC桥式谐振旁路换电流至备用电源。由于完成整个切换过程的时间非常短，因此，电源电压与负载电流可以看作近似不变。在此期间，DSP控制系统时刻保持与外部通信，同时发出相应的状态报警信号。
2 改进的LC桥式谐振辅助换流原理
各类LC谐振辅助换电流方式中，防止强制换电流时谐振电流出现电压尖峰，冲击晶闸管，导致其损坏，旁路电感L阻抗谐振电流的冲击率（di/dt），但由于在现实使用中，因为性价比、额定电流、封装大小等各方面原因，难以选取到较合适的电感。基于此，该文提出了一种改进的LC桥式谐振辅助换流方式：利用主用晶闸管吸收多余电量，同时不必用串联反馈二极管但是却又能达到馈能的效果；为了避免谐振电流急速上升，将一个适当阻值的功率电阻串联于谐振旁路电容与电感之间，详见如图2所示。主用电源Vpri无故障时，负载由Vpri通过晶闸管T1P和T1N供电，其它晶闸管处于关闭状态。某一时刻DSP控制系统检测出主用电源Vpri异常变化，根据电流ipri判定当前导通的晶闸管。不妨假定此时T1P导通，DSP控制系统同时触发T11与T22，这时谐振旁路电感L与电容C进行谐振放电，此时主用电源换流至LC旁路，然后再由LC谐振旁路换流至备用电源Valt；如果故障切换时T1N导通，则开通T21和T12，原理相同。
2.1 谐振旁路模型
建立LC桥式谐振旁路的模型如图3所示。
当情况（4）时，曲线上升变化率降低明显。所以将一个适当阻值的功率电阻串联于谐振旁路电容与电感之间，选取电阻主要兼顾下列几个方面。
（1）结合负载设备特性。
（2）电阻值过小达不到显著的效果。
（3）电阻值过大导致晶闸管不能够有效导通。
2.2 电压异常切换方式
如图2，DSP控制系统在某一时刻监测到主用电源出现异常变化，由主用电源切换至LC桥式换电流支路，然后再通过LC换电流支路切换到备用电源的工作流程，如图5所示。软件系统初始化变量见表1所示。
切换分为以下几个步骤。
（1） DSP控制系统检测主用电源为正常时，开通T1P和T1N，即将T1P和T1N置1。
（2）某时刻DSP控制系统检测到主用电源异常时，将switch_flag置1，系统切换函数switch（）被调用。同时DSP检测主用电源u_i的正负号，判定此时在T1P和T1N两只晶闸管中哪一只导通，同时关掉主用电源，即关闭触发晶闸管T1P和T1N的脉冲信号。
（3）开通正向旁路还是负向旁路取决于u_i，两条旁路切换原理一样。不妨假定u_i为正，将标志位T11_flag与T22_flag置1，即开通正向谐振旁路T11与T22，函数trigger（）被调用，一次触发脉冲只有几个，脉冲结束后自动关闭，LC谐振放电。为了保证T11与T22不会被误触发，可将标志位switching_plus_flag置1，警示已开通相应的LC谐振旁路。
（4）DSP系统检测备用电压u_by是否大于v_by_offset_minimum，即是否大于零。假设备用电压u_by此刻为负，检测主用电流i1P是否小于极小偏移量u_i_minimum，即i1P是否过零，如果T1P过零关断，那么为了吸取谐振电容上的残余电量，则开通T1N晶闸管，起到反馈电能的作用；假设u_by此刻为正，那么将T2P_flag置1，开通T2P，同时为了下次调用函数switch（），将switching_plus_flag置0，并且将switch_flag置0，此次调用函数switch（）结束，至此整个切换过程结束。
3 实验结果
如图6所示，DSP软件控制上测试没有回流，没有功率电阻R，故障切换时的电压尖峰非常严重，这将对负载造成严重损坏。
图7所示采用改进的LC桥式电路，避免了电压尖峰。当DSP侦测系统检测到三相电压出现故障时，由主用电源换流至LC谐振旁路，再由LC谐振旁路换流至备用电源的捕获波形。根据波形，切换过程时间小于8 ms，切换过后负载由备用电源供电，系统恢复正常供电。
4 结语
大量地实验表明，该LC桥式谐振辅助换流策略能够在8 ms内完成切换工作，完成了连续供电的各项指标，能够满足敏感负载对连续供电的要求。此静态切换开关切实可行，性能较为完善，实用价值较高，有望应用于船舶电力设备。
参考文献
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[4] 丁兴群.双电源自动切换装置的选用策略[J].中国新技术新产品，2009（5）：113.
[5] 温家良，傅鹏，刘正之，等.EAST托卡马克大功率双向直流快速晶闸管开关可靠关断理论分析及参数优化设计[J].中国电机工程学报，2005，25（14）：62-67.