CN101622770A - 直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种系统，该系统包括：在建筑物中分配直流(DC)电压的馈电线。DC电压在约300－600伏DC的范围内。该系统还包括马达和马达驱动装置。马达驱动装置通过馈电线接收DC电压，并从该DC电压得到驱动马达的输出。

Description

直流电源系统

技术领域

本发明涉及可靠性高的冗余直流(DC)电源系统，这种电源系统为在冷却数据中心和关键基础设施时使用的马达提供调制功率。

背景技术

关键基础设施，如，数据中心、电信中心和需要高密度的运行时间严格的电源以处理存储和通信的其它基础设施，它们在电源方面和冷却需求方面的要求正在稳步增长。在这些关键基础设施应用中，不仅必须提供可靠性高的电源，还必须提供同样可靠的冷却。如果冷却发生故障，即使是很短的一段时间，计算机设备也可能受到严重影响。此外，由于这些中心所用的能量极大，必须设计和应用不仅有恢复能力而且效率很高的系统。

传统上，输送给在数据中心中提供流体和/或空气的运动的马达的功率，或者是由公用事业公司(utility company)来提供，或者是在公用事业不可用时，由备用发电机来提供。随着运行数据中心设备所需的功率及其相关联的热量的增加，在停止供电期间为泵和风扇马达提供不间断的功率的必要性已变成头等重要的事情。尽管在公用事业停止供应的期间，通过利用电池备用系统而将交流(AC)电源桥接(bridge)到数据中心的计算机，但是主要的马达泵、风扇和压缩机通常被允许断开线路，直至发电机承担起该中心的负载为止。这种处理，从公用事业电源断电直至负载被转接到发电机，可能会耗费近60秒的时间，在某些情况下会耗费更长时间，因此会使关键冷却系统危险地断开线路很长一段时间。随着现今的更高密度的数据中心的出现，在这种数据中心中，关键负载(处理器、存储器和通信装置)通过备有电池系统而持续在线，冷却系统若不持续在线，就会潜在地导致关键负载过热，在某些情况下可能会发生危险。将泵、风扇、压缩机或马达置于专用的不间断电源系统中是不明智的，因为计算设备可能会受到不良线路质量和/或噪音的影响。

发明内容

本发明提供了一种系统，该系统包括：在建筑物中分配直流(DC)电压的馈电线。DC电压在约300-600伏特DC的范围内。该系统还包括马达和马达驱动装置。马达驱动装置经由馈电线接收DC电压，并从该DC电压得到驱动马达的输出。

附图说明

图1是冗余DC电源系统的示意图。

具体实施方式

图1是冗余DC电源系统，即，系统100的示意图。系统100被配置为2N电源系统，其中N是适当地支持电源负载所需的电源的数量。系统100包括：发电机101A、101B，整流器105A、105B，马达驱动装置111A、111B，马达113A、113B，传感器150A、150B，和控制器155。

简而言之，系统100为马达驱动装置111A、111B提供直流功率，而马达驱动装置111A、111B驱动马达113A、113B。通过传感器150A、150B，控制器155监视与马达113A、113B的操作有关的参数，进而控制马达驱动装置111A、111B，使得被感测的参数保持在希望范围内。

系统100从公用事业102A、102B接收交流电(AC)。来自公用事业102A的AC电流通过断路器122A被耦合，来自公用事业102B的AC电流通过断路器122B被耦合。断路器122A、122B对断路器122A、122B的下游电路提供保护，并可被实施为电路断路器或熔断器。

发电机101A在公用事业102A断电的情况下提供应急电源。发电机101A被配置成发动机(例如，柴油发动机123A)、与发动机耦合的能量存储装置124A(例如，飞轮)，以及与能量存储装置124A耦合的同步马达125A的组合。柴油发动机123A是能量源，其在工作时，产生AC输出。能量存储装置124A俘获柴油发动机123A的AC输出形式的能量，并将该能量保存下来留待备用，用于在电力应急情况开始时释放。同步马达125A实质上是提供AC电压的发电机，该AC电压通过升压变压器126A提升到更高的AC电压，例如，13KV。

发电机101B在公用事业102A断电的情况下提供应急电源，并被配置成柴油发动机123B、与柴油发动机123B耦合的能量存储装置124B，以及与能量存储装置124B耦合的同步马达125B的组合。同步马达125B的输出通过升压变压器126B被提升。发电机101B、柴油发动机123B、能量存储装置124B、同步马达125B和升压变压器126B的功能分别类似于发电机101A、柴油发动机123A、能量存储装置124A、同步马达125A和升压变压器126A。

带抽头的扼流圈103A将来自公用事业102A或来自升压变压器126A的功率耦合到带抽头的扼流圈103A的下游的负载。当可从公用事业102A获得功率时，带抽头的扼流圈103A耦合来自公用事业102A的功率。当公用事业102A发生断电时，带抽头的扼流圈103A使负载与公用事业102A分开，而从升压变压器126A接收功率。类似地，带抽头的扼流圈103B从公用事业102B和升压变压器126B接收功率，并将功率耦合到带抽头的扼流圈103B的下游负载。

整流器105A通过断路器104A从带抽头的扼流圈103A接收AC电流。类似地，整流器105B通过断路器104B从带抽头的扼流圈103B接收AC电流。断路器104A、104B保护整流器105A、105B和断路器104A、104B的其它下游电路，并可被实施为电路断路器或熔断器。

如上所述，如果公用事业102A、102B不可用，则功率将分别从发电机101A、101B传递给整流器105A、105B。发电机101A、101B可以是与正常馈送整流器105A、105B的输入的公用事业102A、102B的特性相匹配所必须的各种尺寸和电压。

整流器105A、105B利用来自公用事业102A、102B或来自发电机101A、101B的功率，并对这种功率进行整流，以提供DC输出，例如，300-600伏DC(VDC)。整流器105A的DC输出通过二极管108A和断路器106A耦合到总线109。类似地，整流器105B的DC输出通过二极管108B和断路器106B被耦合到总线109。断路器106A、106B保护断路器106A、106B的下游电路，并可实施为电路断路器或熔断器。

整流器105A、105B分别包括位于整流器105A、105B的输入侧上的电气滤波器(未示出)，以减小反射谐波对总线109、马达驱动装置111A、111B，马达113A、113B或马达控制器155的负面影响。DC输出整流器105A、105B的输出稳定性也将由于整流器105A、105B的DC输出端内的调谐滤波器形式的电容和电感而被动地衰减。

整流器105A、105B的DC输出通过二极管108A、108B被“或选通(OR-gated)”或桥接到一起，而传送到总线109。也就是说，功率可或者由整流器105A或者由整流器105B，或者同时由整流器105A和整流器105B二者，供应给总线109。

此外，整流器105A、105B中的每一个都具有控制面板(未示出)，该控制面板使操作者能够改变整流器105A、105B的DC输出电压。这就允许整流器105A、105B的DC输出电压能被改变，以使得整流器105A和整流器105B中的任一个能够提供比另一个更高的电压，这样就使得两个电压中的较高者被馈送给总线109，而两个电压中的较高电压馈送发生故障时，较低电压变成次级冗余馈送。整流器105A、105B可作为一个单元或者两个或更多(并联的)单元而被应用，以产生更多数量的电源或冗余。

系统100还包括二极管118A、118B，充电器117A、117B，电池116A、116B，二极管115A、115B和断路器114A、114B。在整流器105A正常工作期间，DC电流通过二极管118A流到充电器117A，而充电器117A为电池116A充电。二极管108A和二极管115A对整流器105A和电池116A的输出进行“或(OR)”操作。在失去来自整流器105A的功率的情况下，电池116A通过二极管115A和断路器114A向总线109提供DC功率。类似地，在整流器105B正常工作期间，DC电流通过二极管118B流到充电器117B，而充电器117B为电池116B充电。二极管108B和二极管115B对整流器105B和电池116B的输出进行“或”操作。在失去来自整流器105B的功率的情况下，电池116B通过二极管115B和断路器114B向总线109提供DC功率。

作为例子，电池116A、116B可以是任何能量存储载体，诸如，动力飞轮(kinetic flywheel)、燃料电池或电容器。断路器114A、114B保护断路器114A、114B的下游电路，并可被实施为电路断路器或熔断器。

总线109被布线为作为建筑物中的DC馈电，其提供例如300-600VDC的DC电压。也就是说，总线109在整个建筑物中被布线，使得需要DC功率的装置或子系统能够通过总线109获得DC功率。

总线109向总线120A和120B提供DC电压。总线120A通过断路器110A向马达驱动装置111A提供功率，总线120B通过断路器110B向马达驱动装置111B提供功率。断路器110A、110B保护断路器110A、110B的下游电路，并可被实施为电路断路器或熔断器。

开关109A能够将整流器105A、马达驱动装置111A与整流器105B、马达驱动装置111B隔离开，以便进行保养或维修。更具体而言，当开关109A在开关109A的左侧为断开线路时，例如，整流器105A和马达驱动装置111A与位于开关109A右侧的电路(例如，整流器105B和马达驱动装置111B)隔离开。

如上所述，整流器105A、105B的输出被“或选通”。例如，假设整流器105A的电压高于整流器105B，并且开关109A闭合。因为开关109A闭合，来自二极管108A的电流为马达驱动装置111A和111B供电。如果来自整流器105A的电压降到与整流器105B的电压相等，则整流器105B将分担与整流器105A相等的负载。如果来自整流器105A的电压下降到低于整流器105B的电压，则整流器105B将为马达驱动装置111A、111B供电。

马达驱动装置111A通过总线120A接收DC电压，并从该DC电压得到输出，该输出经由断路器112A驱动马达113A，即，为马达113A提供功率。类似地，马达驱动装置111B通过总线120B接收DC电压，并从该DC电压得到输出，该输出经由断路器112B驱动马达113B，即，为马达113B提供功率。断路器112A、112B保护马达113A、113B，和断路器112A、112B的其它下游电路，并可实施为电路断路器或熔断器。

马达113A、113B安装在诸如冷却器、计算机机房空调设备、风扇、泵或压缩机等设备中，并被用来引起空气、水或任何其它冷却介质的运动。马达113A、113B可彼此独立安装，或者被一起使用以在一台设备中提供冗余，或者在需要严格冷却的环境中提供冗余。例如，就冗余方面而言，马达113A和113B可同时安装在计算机机房中，使得如果马达113A或马达113B出现故障，则马达113A或113B中的另一个将仍然可用。

马达113A、113B既可以是DC马达，也可以是AC马达。DC马达的速度和扭矩直接与其输入电压有关。电压越大，则速度越快；电压越小，则速度越慢。因此，通过改变DC马达的输入电压来控制DC马达的速度。AC马达的速度直接与其输入电压频率有关。频率越高，则速度越快；频率越低，则速度越慢。因此，通过改变AC马达的输入电压的频率，来控制AC马达的速度。

在马达113A是DC马达的情况下，马达驱动装置111A将向马达113A提供DC电压。在马达113A是AC马达的情况下，马达驱动装置111A向马达113A提供AC电压。类似地，马达驱动装置111B以DC电压或AC电压驱动马达113B。

传感器150A感测与马达113A的工作有关的参数，并输出指示该参数的参数值152A。该参数可以是任何适当的参数，但例子包括(i)马达113A的速度，和(ii)由马达113A驱动的冷却器进行冷却的环境的温度。类似地，传感器150B感测与马达113B的工作有关的参数，并输出参数值152B。控制器155监视参数值152A和152B，并控制马达驱动装置111A、111B，使得参数值152A和152B被维持在希望的范围内。

当马达113A是DC马达时，马达驱动装置111A被实施为DC到DC马达驱动装置，并且控制器155使马达驱动装置111A的输出电压改变，以控制马达113A。马达驱动装置111A的输出电压范围可以是任何适当的范围，但示例性的范围为0-300VDC，或0-600VDC。当马达113A是AC马达时，马达驱动装置111A被实施为DC到AC马达驱动装置，并且控制器155使马达驱动装置111A的输出频率改变，以控制马达113A。输出频率可在任何适当范围内变化，但示例性范围为0-60赫兹(Hz)。

通过控制其中包含的电路的切换操作，例如，切换速率或占空比，来改变马达驱动装置111A的输出。该电路可以通过利用，例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅可控整流器(SCR)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。因此，控制器155向马达驱动装置111A提供控制信号130A，以改变切换速率或占空比，从而调整马达驱动装置111A的输出电压或输出频率，并由此调节马达113A的改变速率和速度。马达113A的速度和扭矩产生一定量的功。与该功有关的参数由传感器150A来感测，并且参数值152A被发送给控制器155。

马达驱动装置111B与马达驱动装置111A相类似地工作。这样，传感器150B将参数值152B发送给控制器155，控制器155向马达驱动装置111B提供控制信号130B，马达驱动装置111B继而控制马达113B。

控制器155包括处理器157和存储器160，存储器160包含用于控制处理器157的指令(例如，程序170)的模块。存储器160还包含参数值152A的参考值165A，和参数值152B的参考值165B。关于马达113A的操作，控制器155，更具体而言，处理器157，将参数值152A与参考值165A进行比较，并基于比较的结果，向马达驱动装置111A发送控制信号130A，马达驱动装置111A继而调整马达113A的速度，使得参数值152A满足参考值165A。类似地，控制器155将参数值152B与参考值165B进行比较，并基于比较的结果，向马达驱动装置111B发送控制信号130B，马达驱动装置111B继而调整马达113B的速度，使得参数值152B满足参考值165B。

例如，假设马达113A驱动房间中的空调设备中的压缩机。传感器150A感测房间的温度，并以参数值152A的形式向控制器155报告温度。控制器155将感测到的温度与参考值，例如，参考值165A，进行比较，并基于该比较，向马达驱动装置111A发送控制信号130A。马达驱动装置111A响应于控制信号130A，调整马达113A的工作，使得房间的温度不超过参考值。

尽管在本文中将控制器155描述为安装到存储器160中的程序170，但程序170可包含在存储介质175中，以便随后加载到存储器160中。存储介质175可以是任何计算机可读的介质，诸如，软盘、光盘、磁带、只读存储器或光存储介质。程序170也可包含在位于远程存储系统上并与存储器160耦合的随机存取存储器或其它类型的电子存储装置中。

并且，尽管在本文中，程序170、参考值165A和参考值165B被描述为安装在存储器160中，从而以软件的形式实现，但它们也可以以任何硬件形式、固件形式、软件形式或它们的组合形式来实现。

本文描述的技术是示例性的，不应被解释为暗含对本发明的任何特定限制。应理解，本领域技术人员可想到各种替换方式、组合方式和修改方式。本发明旨在包含落在权利要求的范围内的所有这种替换方式、修改方式和变形。

Claims (9)

1.一种系统，包括：

在建筑物中分配直流(DC)电压的馈电线，其中所述DC电压在约300-600伏特直流的范围内；

马达；和

马达驱动装置，其经由所述馈电线接收所述DC电压，并从所述DC电压得到驱动所述马达的输出。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：

所述DC电压的第一电源；和

所述DC电压的第二电源，

其中所述第一电源和所述第二电源被桥接到一起，以将所述DC电压提供给所述馈电线。

3.如权利要求1所述的系统，还包括：

传感器，其感测与所述马达的工作有关的参数，并提供指示该参数的参数值；和

控制器，其执行所述参数值与参考值之间的比较，并基于所述比较，输出控制所述马达驱动装置的信号，以控制驱动所述马达的所述输出。

4.如权利要求3所述的系统，

其中，所述马达驱动装置的所述输出与所述马达驱动装置的电路的切换操作有关，并且

其中，来自所述控制器的所述信号控制所述切换操作，以控制所述马达驱动装置的所述输出。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述切换操作选自于由切换速率和占空比组成的组。

6.如权利要求4所述的系统，

其中，所述马达是交流AC马达，

其中，所述马达驱动装置的所述输出是AC电压，并且

其中，来自所述控制器的所述信号控制所述切换操作，以控制所述马达驱动装置的所述输出的频率。

7.如权利要求4所述的系统，

其中，所述马达是DC马达，

其中，所述马达驱动装置的所述输出是DC电压，并且

其中，来自所述控制器的所述信号控制所述切换操作，以控制所述马达驱动装置的所述输出的电压水平。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述马达是选自由冷却器、空调设备、风扇、泵和压缩机组成的组中的一台设备的组成部分。

9.如权利要求1所述的系统，

其中，所述马达是第一马达，并且所述马达驱动装置是第一马达驱动装置，

其中，所述系统还包括：

第二马达；以及

第二马达驱动装置，其经由所述馈电线接收所述DC电压，并从该DC电压得到驱动所述第二马达的输出，并且

其中，所述第一马达和第二马达以冗余的关系配置，并在冷却操作中使用。

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