专利名称：：Ac电源开关模块的制作方法
技术领域：
：本发明涉及AC电源开关模块或固态AC继电器。然而特别地，本发明不限于AC电源开关模块或固态AC继电器，这样一种模块可有利地使用在维护起来昂贵且困难的水下设施，诸如海底油气设施内。
背景技术：
：目前，典型地经由连接在位于水平面(或“顶面”)处的控制平台，例如海岸、平台或船只，与海底油井设施之间的连接电缆(umbilicalcable)来为海底油井提供电力，其中所述连接电缆终止于连接终端装置(umbilicalterminationassembly)(UTA)0然后，从UTA将电力供应到安装在油井架上的海底控制模块(SCM)。所述UTA可为油井综合设施内的多个油井供电。此外，SCM有时还需要给采油树(tree)外部的海底设备提供电力。在所有这样的情况下，有远见的做法是保护来自众多并行的电力馈电免受海底设备之一中的短路故障，就其本身而言，故障可导致电力不能到达其他设备。目前，这种保护通过使用正温度系数的热阻设备来实现，其统称为PTC。如果发生短路，则电流大幅度增长的结果是，由于设备的阻抗导致在其中产生热。所以，设备的温度升高，并由此升高了设备的阻抗。这反过来将短路电流限制到电源能够维持的水平上，同时也继续为系统的剩余部分传送电力。然而，使用这种PTC设备产生相应问题。例如，在发生短路故障的情况下，PTC会浪费电力。另外，PTC具有数量有限的操作，并且非常注意地设计其安装是必不可少的，使PTC设备能够耗散所产生的热量，以便实现可接受的可靠性。其他方法则依靠使用例如外部熔断器或断路器。重要的是，因为装备可位于海底，并因此相对闭塞，所以必须自己重新设置任何的保护电路。发明概述本发明的目标是解决上述问题。该目标通过提供固态继电器来实现，所述固态继电器带有集成的电流保护，因此消除了对PTC、外部熔断器或断路器的需要，并同时维持短路故障保护。以这种方式，本发明提供对AC电源继电器的过流保护能力，所述AC电源继电器诸如那些被用来开关海底油井系统中的电源的继电器。根据本发明，提供AC电源开关模块，包括AC电流输入和输出装置；开关装置，其位于所述输入和输出装置之间，用于选择性地中断或流过所述AC电流；开关控制器，其被布置为提供到开关装置的输出信号，以控制开关装置的状态；第一控制装置，其用于设置开关控制器的输出；以及第二控制装置，其用于设置开关控制器的输出，其中，所述第二控制装置包括依赖于AC电流的电流依赖性电路。本发明提供相对于现有技术的若干优势，诸如4i)对AC电力线的高速电流保护。ii)在过载时，电力折回至接近零。iii)当移除过载时，系统自动进行重新设置，并恢复全电力。附图简述现在将参考附图描述本发明，其中图1示意性地示出根据本发明的第一实施方式的AC继电器电源开关模块；以及图2示意性地示出根据本发明的第二实施方式的AC继电器电源开关模块。发明详述图1是根据本发明第一实施方式的AC继电器电源开关模块的原理图。这样一种电源开关模块用来在光隔离控制线的第一控制下接通或断开AC电源。根据本发明，模块表征板上电流感测，使得如果模块的AC输出上的负载超出设置的电流限制的话，则在一个主循环中断开到达输出的AC电力。模块包括带有开关装置的印刷电路板，所述开关装置包括四个半导体开关元件/半导体(也称为硅)可控整流器(SCR)电源开关元件6。半导体开关元件6是成对的，使得两个半导体开关元件被提供到AC输入与输出之间的AC线Ll上，并且两个半导体开关元件被提供到输入和输出之间的AC线L2上，每对半导体开关元件以相反的方向偏置。正如已公知的，这些元件用来仅在一个方向上流过电流，然后仅当在其栅极输入上接收到脉冲信号时-否则在两个方向上中断电流。在这种情况下，开关装置还包括脉冲生成器5以产生脉冲信号输出。正如在下面以更多细节描述的，通过使能或禁用脉冲生成器5来控制半导体开关元件6的操作。为了产生这样的结果，“启动”或“禁用”信号被开关控制器发送到脉冲生成器5，开关控制器包括具有三个控制输入的控制逻辑组件9，所述三个控制输入相应地来自高-低过零检测器(也被称为AC过零电压检测器)4，光隔离器7以及电流依赖性电路，下面将以更多细节描述。控制逻辑组件9包括D类触发器，使得使能和禁用输出信号状态是稳定的。作为一个安全特性，控制逻辑9的普通功能是禁用脉冲生成器5。控制逻辑组件9从光隔离器7接收第一控制输入，并从与AC电流有关的电路接收第二控制输入，所述与AC电流有关的电路包括“电流监控”阻抗1、比较器2和单稳态单元(m0n0Stable)3，正如下面将以细节描述的。电源开关模块的电子器件可通过低压供电单元8来供电。通过利用电源大约每秒为阻抗1加以脉冲达不多于一个主循环来监控阻抗1，直到移除过载为止，在这之后恢复连续且完全的电力。过零检测器4用来同步SCR6的接通与零AC电压。这最小化了电流尖峰和变形，由此提供低噪声的、低电磁兼容性的(EMC)开关。操作限流电路的细节如下正常情况下，在无故障的操作中，如果通过控制逻辑组件9从光隔离器7接收“使能”第一控制信号输入的话，则脉冲生成器5发送来自控制逻辑组件9的“使能”信号，这导致脉冲生成器5生成脉冲，并由此接通半导体开关元件6。如果由于电感性负载，电流波形滞后于电压波形，连续脉冲串的功能是确保可靠开关SCR6。阻抗1根据AC输出负载水平生成电压比较器2的输入上的电压。可通过测量阻抗1上的电压降来实际上监控AC电流。当AC线电流，并因此比较器2的电压，超过预定的参考临界值时，电压比较器2的输出改变。这触发复位控制逻辑组件9的单稳态单元3。这反过来导致控制逻辑组件9产生到达脉冲生成器5的“禁用”输出，其移除到达半导体开关元件6的脉冲栅极输出驱动。作为结果，半导体开关元件6断开，并在1个主循环内关闭AC电源。在近似一秒之后，单稳态单元3被设置为恢复其稳定状态，因此阻止电源达该时间段，在此之后，导致控制逻辑组件9向脉冲生成器5发送“使能”信号，以便恢复到达半导体开关元件6的脉冲栅极驱动。如果保持过载，则电流依赖性电路将再次立刻禁用所述驱动。如上所述，控制逻辑9的普通功能是禁用脉冲生成器5。当从光隔离器7接收“使能”第一控制输入，控制逻辑9的D类触发器锁定，并且正如通过过零检测器4所确定的AC电压已落到零值时。这产生到达脉冲生成器5的“使能”输入，直到其通过电流过载或通过第一控制输入被禁用为止。因此，提供半导体开关元件6的可靠触发，而不考虑AC线电流与电压之间的相位关系，该相位关系可随电感性或电容性负载发生变化。图2用示意图显示本发明的第二实施方式。该实施方式与上面所描述的第一实施方式具有许多相似之处，并且相似组件保持与图1中相同的标记。然而，使用这种配置，组件9的控制逻辑被略微改变，使得不要求单稳态单元。在该实施方式中，布置电源开关模块，以一旦过载则将永久地断开。在电流过载的情况下，比较器2向控制逻辑组件9直接发送禁用信号。这反过来导致“禁用”信号被发送到脉冲生成器5。控制逻辑组件9仅能够通过经由光隔离器7断开第一控制信号，然后再次接通的方式来复位，由此复位跳间设备(trip)。上面所描述的实施方式仅是示例性的，并且对于本领域中的技术人员而言很明显的是，在权利要求范围内可有各种不同的备选方案。权利要求1.一种AC电源开关模块，包括AC电流输入装置和输出装置；开关装置，其位于所述输入装置和所述输出装置之间，用于选择性地中断或流过所述AC电流；开关控制器，其被布置为向所述开关装置提供输出信号以控制所述开关装置的状态；第一控制装置，其用于设置所述开关控制器的输出；以及第二控制装置，其用于设置所述开关控制器的所述输出，其中所述第二控制装置包括依赖于AC电流的电流依赖性电路。2.如权利要求1所述的模块，其中所述开关装置包括半导体开关元件。3.如权利要求2所述的模块，其中所述半导体开关元件包括半导体控制的整流器。4.如权利要求2和3中任一项所述的模块，其中所述开关装置还包括脉冲生成器，所述脉冲生成器连接到所述半导体开关元件的栅极，用于当所述开关控制器促使时输出一脉冲输出至所述半导体开关元件，所述脉冲输出使能所述半导体开关元件，以使所述AC电流流过所述半导体开关元件。5.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述第二控制装置可操作来使得所述开关控制器发送输出信号至所述开关装置，以使所述开关装置阻止所述AC电流流过所述开关装置。6.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述电流依赖性电路包括比较器，以当所述AC电流超过预定的临界值时，使所述开关控制器生成“禁用”输出信号，断开所述开关装置。7.如权利要求6所述的模块，其中所述比较器经由阻抗连接到所述AC电流。8.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述电流依赖性电路包括用于连接到所述开关装置的单稳态单元，以便所述单稳态单元的状态中的变化使得所述开关装置改变其输出信号。9.如权利要求1至7中任一项所述的模块，其中所述开关控制器被使得进行操作以便当所述开关控制器已经被使得生成断开所述开关装置的输出信号时，所述开关控制器将保持在这种状态中直到被所述第一控制装置指示这样做为止。10.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述第一控制装置包括光隔离器。11.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述开关控制器包括控制逻辑组件。12.如权利要求11所述的模块，其中所述控制逻辑组件包括触发器。13.如权利要求11和12中任一项所述的模块，其中所述控制逻辑组件被缺省设置为生成使得所述开关装置中断AC电流的输出信号。14.如权利要求11至13中任一项所述的模块，其中过零检测器的输出依赖于AC电压。15.如权利要求14所述的模块，其中当满足以下两个条件时，所述控制逻辑组件被锁定i)所述AC电压为零；以及)由所述控制逻辑组件从所述第一控制装置接收到使能控制。16.如上述权利要求中任一项所述的模块，其中所述开关控制器包括高_低过零检测器。17.一种海底控制模块，包括如上述权利要求中任一项所述的模块。18.一种连接终端装置，包括如权利要求1至16中任一项所述的模块。19.一种海底油井设施，包括如权利要求1至16中任一项所述的模块。全文摘要AC电源开关模块包括AC电流输入和输出装置；位于所述输入和输出装置之间的开关装置，其用于选择性地中断或流过所述AC电流；开关控制器，其布置为提供输出信号到开关装置以便控制开关装置的状态；用于设置开关控制器输出的第一控制装置；以及用于设置开关控制器输出的第二控制装置，其中所述第二控制装置包括依赖于AC电流的电流依赖性电路。文档编号H02H7/26GK102005939SQ20101026834公开日2011年4月6日申请日期2010年8月30日优先权日2009年9月1日发明者彼得·M·C·巴特洛斯申请人:维特科格雷控制有限公司