專利名稱：：Ac電源開關(guān)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及AC電源開關(guān)模塊或固態(tài)AC繼電器。然而特別地，本發(fā)明不限于AC電源開關(guān)模塊或固態(tài)AC繼電器，這樣一種模塊可有利地使用在維護(hù)起來昂貴且困難的水下設(shè)施，諸如海底油氣設(shè)施內(nèi)。
背景技術(shù)：
：目前，典型地經(jīng)由連接在位于水平面(或“頂面”)處的控制平臺，例如海岸、平臺或船只，與海底油井設(shè)施之間的連接電纜(umbilicalcable)來為海底油井提供電力，其中所述連接電纜終止于連接終端裝置(umbilicalterminationassembly)(UTA)0然后，從UTA將電力供應(yīng)到安裝在油井架上的海底控制模塊(SCM)。所述UTA可為油井綜合設(shè)施內(nèi)的多個油井供電。此外，SCM有時還需要給采油樹(tree)外部的海底設(shè)備提供電力。在所有這樣的情況下，有遠(yuǎn)見的做法是保護(hù)來自眾多并行的電力饋電免受海底設(shè)備之一中的短路故障，就其本身而言，故障可導(dǎo)致電力不能到達(dá)其他設(shè)備。目前，這種保護(hù)通過使用正溫度系數(shù)的熱阻設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，其統(tǒng)稱為PTC。如果發(fā)生短路，則電流大幅度增長的結(jié)果是，由于設(shè)備的阻抗導(dǎo)致在其中產(chǎn)生熱。所以，設(shè)備的溫度升高，并由此升高了設(shè)備的阻抗。這反過來將短路電流限制到電源能夠維持的水平上，同時也繼續(xù)為系統(tǒng)的剩余部分傳送電力。然而，使用這種PTC設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)問題。例如，在發(fā)生短路故障的情況下，PTC會浪費(fèi)電力。另外，PTC具有數(shù)量有限的操作，并且非常注意地設(shè)計(jì)其安裝是必不可少的，使PTC設(shè)備能夠耗散所產(chǎn)生的熱量，以便實(shí)現(xiàn)可接受的可靠性。其他方法則依靠使用例如外部熔斷器或斷路器。重要的是，因?yàn)檠b備可位于海底，并因此相對閉塞，所以必須自己重新設(shè)置任何的保護(hù)電路。發(fā)明概述本發(fā)明的目標(biāo)是解決上述問題。該目標(biāo)通過提供固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)，所述固態(tài)繼電器帶有集成的電流保護(hù)，因此消除了對PTC、外部熔斷器或斷路器的需要，并同時維持短路故障保護(hù)。以這種方式，本發(fā)明提供對AC電源繼電器的過流保護(hù)能力，所述AC電源繼電器諸如那些被用來開關(guān)海底油井系統(tǒng)中的電源的繼電器。根據(jù)本發(fā)明，提供AC電源開關(guān)模塊，包括AC電流輸入和輸出裝置；開關(guān)裝置，其位于所述輸入和輸出裝置之間，用于選擇性地中斷或流過所述AC電流；開關(guān)控制器，其被布置為提供到開關(guān)裝置的輸出信號，以控制開關(guān)裝置的狀態(tài)；第一控制裝置，其用于設(shè)置開關(guān)控制器的輸出；以及第二控制裝置，其用于設(shè)置開關(guān)控制器的輸出，其中，所述第二控制裝置包括依賴于AC電流的電流依賴性電路。本發(fā)明提供相對于現(xiàn)有技術(shù)的若干優(yōu)勢，諸如4i)對AC電力線的高速電流保護(hù)。ii)在過載時，電力折回至接近零。iii)當(dāng)移除過載時，系統(tǒng)自動進(jìn)行重新設(shè)置，并恢復(fù)全電力。附圖簡述現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，其中圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的AC繼電器電源開關(guān)模塊；以及圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的AC繼電器電源開關(guān)模塊。發(fā)明詳述圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的AC繼電器電源開關(guān)模塊的原理圖。這樣一種電源開關(guān)模塊用來在光隔離控制線的第一控制下接通或斷開AC電源。根據(jù)本發(fā)明，模塊表征板上電流感測，使得如果模塊的AC輸出上的負(fù)載超出設(shè)置的電流限制的話，則在一個主循環(huán)中斷開到達(dá)輸出的AC電力。模塊包括帶有開關(guān)裝置的印刷電路板，所述開關(guān)裝置包括四個半導(dǎo)體開關(guān)元件/半導(dǎo)體(也稱為硅)可控整流器(SCR)電源開關(guān)元件6。半導(dǎo)體開關(guān)元件6是成對的，使得兩個半導(dǎo)體開關(guān)元件被提供到AC輸入與輸出之間的AC線Ll上，并且兩個半導(dǎo)體開關(guān)元件被提供到輸入和輸出之間的AC線L2上，每對半導(dǎo)體開關(guān)元件以相反的方向偏置。正如已公知的，這些元件用來僅在一個方向上流過電流，然后僅當(dāng)在其柵極輸入上接收到脈沖信號時-否則在兩個方向上中斷電流。在這種情況下，開關(guān)裝置還包括脈沖生成器5以產(chǎn)生脈沖信號輸出。正如在下面以更多細(xì)節(jié)描述的，通過使能或禁用脈沖生成器5來控制半導(dǎo)體開關(guān)元件6的操作。為了產(chǎn)生這樣的結(jié)果，“啟動”或“禁用”信號被開關(guān)控制器發(fā)送到脈沖生成器5，開關(guān)控制器包括具有三個控制輸入的控制邏輯組件9，所述三個控制輸入相應(yīng)地來自高-低過零檢測器(也被稱為AC過零電壓檢測器)4，光隔離器7以及電流依賴性電路，下面將以更多細(xì)節(jié)描述?？刂七壿嫿M件9包括D類觸發(fā)器，使得使能和禁用輸出信號狀態(tài)是穩(wěn)定的。作為一個安全特性，控制邏輯9的普通功能是禁用脈沖生成器5。控制邏輯組件9從光隔離器7接收第一控制輸入，并從與AC電流有關(guān)的電路接收第二控制輸入，所述與AC電流有關(guān)的電路包括“電流監(jiān)控”阻抗1、比較器2和單穩(wěn)態(tài)單元(m0n0Stable)3，正如下面將以細(xì)節(jié)描述的。電源開關(guān)模塊的電子器件可通過低壓供電單元8來供電。通過利用電源大約每秒為阻抗1加以脈沖達(dá)不多于一個主循環(huán)來監(jiān)控阻抗1，直到移除過載為止，在這之后恢復(fù)連續(xù)且完全的電力。過零檢測器4用來同步SCR6的接通與零AC電壓。這最小化了電流尖峰和變形，由此提供低噪聲的、低電磁兼容性的(EMC)開關(guān)。操作限流電路的細(xì)節(jié)如下正常情況下，在無故障的操作中，如果通過控制邏輯組件9從光隔離器7接收“使能”第一控制信號輸入的話，則脈沖生成器5發(fā)送來自控制邏輯組件9的“使能”信號，這導(dǎo)致脈沖生成器5生成脈沖，并由此接通半導(dǎo)體開關(guān)元件6。如果由于電感性負(fù)載，電流波形滯后于電壓波形，連續(xù)脈沖串的功能是確?？煽块_關(guān)SCR6。阻抗1根據(jù)AC輸出負(fù)載水平生成電壓比較器2的輸入上的電壓?？赏ㄟ^測量阻抗1上的電壓降來實(shí)際上監(jiān)控AC電流。當(dāng)AC線電流，并因此比較器2的電壓，超過預(yù)定的參考臨界值時，電壓比較器2的輸出改變。這觸發(fā)復(fù)位控制邏輯組件9的單穩(wěn)態(tài)單元3。這反過來導(dǎo)致控制邏輯組件9產(chǎn)生到達(dá)脈沖生成器5的“禁用”輸出，其移除到達(dá)半導(dǎo)體開關(guān)元件6的脈沖柵極輸出驅(qū)動。作為結(jié)果，半導(dǎo)體開關(guān)元件6斷開，并在1個主循環(huán)內(nèi)關(guān)閉AC電源。在近似一秒之后，單穩(wěn)態(tài)單元3被設(shè)置為恢復(fù)其穩(wěn)定狀態(tài)，因此阻止電源達(dá)該時間段，在此之后，導(dǎo)致控制邏輯組件9向脈沖生成器5發(fā)送“使能”信號，以便恢復(fù)到達(dá)半導(dǎo)體開關(guān)元件6的脈沖柵極驅(qū)動。如果保持過載，則電流依賴性電路將再次立刻禁用所述驅(qū)動。如上所述，控制邏輯9的普通功能是禁用脈沖生成器5。當(dāng)從光隔離器7接收“使能”第一控制輸入，控制邏輯9的D類觸發(fā)器鎖定，并且正如通過過零檢測器4所確定的AC電壓已落到零值時。這產(chǎn)生到達(dá)脈沖生成器5的“使能”輸入，直到其通過電流過載或通過第一控制輸入被禁用為止。因此，提供半導(dǎo)體開關(guān)元件6的可靠觸發(fā)，而不考慮AC線電流與電壓之間的相位關(guān)系，該相位關(guān)系可隨電感性或電容性負(fù)載發(fā)生變化。圖2用示意圖顯示本發(fā)明的第二實(shí)施方式。該實(shí)施方式與上面所描述的第一實(shí)施方式具有許多相似之處，并且相似組件保持與圖1中相同的標(biāo)記。然而，使用這種配置，組件9的控制邏輯被略微改變，使得不要求單穩(wěn)態(tài)單元。在該實(shí)施方式中，布置電源開關(guān)模塊，以一旦過載則將永久地?cái)嚅_。在電流過載的情況下，比較器2向控制邏輯組件9直接發(fā)送禁用信號。這反過來導(dǎo)致“禁用”信號被發(fā)送到脈沖生成器5。控制邏輯組件9僅能夠通過經(jīng)由光隔離器7斷開第一控制信號，然后再次接通的方式來復(fù)位，由此復(fù)位跳間設(shè)備(trip)。上面所描述的實(shí)施方式僅是示例性的，并且對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言很明顯的是，在權(quán)利要求范圍內(nèi)可有各種不同的備選方案。權(quán)利要求1.一種AC電源開關(guān)模塊，包括AC電流輸入裝置和輸出裝置；開關(guān)裝置，其位于所述輸入裝置和所述輸出裝置之間，用于選擇性地中斷或流過所述AC電流；開關(guān)控制器，其被布置為向所述開關(guān)裝置提供輸出信號以控制所述開關(guān)裝置的狀態(tài)；第一控制裝置，其用于設(shè)置所述開關(guān)控制器的輸出；以及第二控制裝置，其用于設(shè)置所述開關(guān)控制器的所述輸出，其中所述第二控制裝置包括依賴于AC電流的電流依賴性電路。2.如權(quán)利要求1所述的模塊，其中所述開關(guān)裝置包括半導(dǎo)體開關(guān)元件。3.如權(quán)利要求2所述的模塊，其中所述半導(dǎo)體開關(guān)元件包括半導(dǎo)體控制的整流器。4.如權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述開關(guān)裝置還包括脈沖生成器，所述脈沖生成器連接到所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極，用于當(dāng)所述開關(guān)控制器促使時輸出一脈沖輸出至所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述脈沖輸出使能所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，以使所述AC電流流過所述半導(dǎo)體開關(guān)元件。5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述第二控制裝置可操作來使得所述開關(guān)控制器發(fā)送輸出信號至所述開關(guān)裝置，以使所述開關(guān)裝置阻止所述AC電流流過所述開關(guān)裝置。6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述電流依賴性電路包括比較器，以當(dāng)所述AC電流超過預(yù)定的臨界值時，使所述開關(guān)控制器生成“禁用”輸出信號，斷開所述開關(guān)裝置。7.如權(quán)利要求6所述的模塊，其中所述比較器經(jīng)由阻抗連接到所述AC電流。8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述電流依賴性電路包括用于連接到所述開關(guān)裝置的單穩(wěn)態(tài)單元，以便所述單穩(wěn)態(tài)單元的狀態(tài)中的變化使得所述開關(guān)裝置改變其輸出信號。9.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述開關(guān)控制器被使得進(jìn)行操作以便當(dāng)所述開關(guān)控制器已經(jīng)被使得生成斷開所述開關(guān)裝置的輸出信號時，所述開關(guān)控制器將保持在這種狀態(tài)中直到被所述第一控制裝置指示這樣做為止。10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述第一控制裝置包括光隔離器。11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述開關(guān)控制器包括控制邏輯組件。12.如權(quán)利要求11所述的模塊，其中所述控制邏輯組件包括觸發(fā)器。13.如權(quán)利要求11和12中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述控制邏輯組件被缺省設(shè)置為生成使得所述開關(guān)裝置中斷AC電流的輸出信號。14.如權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的模塊，其中過零檢測器的輸出依賴于AC電壓。15.如權(quán)利要求14所述的模塊，其中當(dāng)滿足以下兩個條件時，所述控制邏輯組件被鎖定i)所述AC電壓為零；以及)由所述控制邏輯組件從所述第一控制裝置接收到使能控制。16.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊，其中所述開關(guān)控制器包括高_(dá)低過零檢測器。17.一種海底控制模塊，包括如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模塊。18.一種連接終端裝置，包括如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的模塊。19.一種海底油井設(shè)施，包括如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的模塊。全文摘要AC電源開關(guān)模塊包括AC電流輸入和輸出裝置；位于所述輸入和輸出裝置之間的開關(guān)裝置，其用于選擇性地中斷或流過所述AC電流；開關(guān)控制器，其布置為提供輸出信號到開關(guān)裝置以便控制開關(guān)裝置的狀態(tài)；用于設(shè)置開關(guān)控制器輸出的第一控制裝置；以及用于設(shè)置開關(guān)控制器輸出的第二控制裝置，其中所述第二控制裝置包括依賴于AC電流的電流依賴性電路。文檔編號H02H7/26GK102005939SQ20101026834公開日2011年4月6日申請日期2010年8月30日優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日發(fā)明者彼得·M·C·巴特洛斯申請人:維特科格雷控制有限公司