CN102368630B - 一种两组直流电源的无缝无环流切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，包括用来与电器设备相连接的正、负极端口、接有第一直流电源的第一支路、接有第二直流电源的第二支路、切换电路、电压采样电路、电流采样电路和控制模块，切换电路包括分别连接在第一支路、第二支路中的且是由直流接触器构成的第一开关、第二开关，以及由可控型电子开关器件构成的第三开关、第四开关；第三开关、第四开关分别与第一开关、第二开关相并联。该系统采用直流接触器切换，单向导通的可控型电子开关器件补偿，在直流电源自动切换过程中，能够有效的解决直流电源切换存在的环流问题和输出掉电问题，实现直流电源间的无缝无环流切换，具备结构简单新颖，性能可靠的特点。

Description

一种两组直流电源的无缝无环流切换系统

技术领域

本发明涉及电源切换技术领域，特别是涉及一种两组直流电源的无缝无环流切换系统。

背景技术

随着科学技术的进步，各行各业对供电可靠性的要求越来越高，在很多场合必须采用多路电源备份来保证供电的可靠性。随着供电可靠性要求的提高，越来越多的先进技术和设备投入应用到供电系统中。例如，通信基站在“市电+油机+电池”混合备份供电系统中，又引入蓄电池主从备份，来提高供电可靠性。又如，UPS主机在市电异常，蓄电池逆变输出时，也可引入两组蓄电池主从备份，来加长蓄电池备电时间，提高供电可靠性。

两组电池主从切换，若采用“先投入后切除”的方式，则由于两组电池的电压差或容量不同，存在两组电池之间形成环流的问题。若采用“先切除后投入”的方式，则由于切换开关的切换时间，可能引起系统停电的风险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，是在两组直流电源进行自动切换过程中，引入辅助切换开关进行补偿，从而实现两组直流电源间无缝无环流切换，具有结构简单新颖，性能可靠的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，包括用来与电器设备相连接的正、负极端口、接有第一直流电源的第一支路、接有第二直流电源的第二支路和切换电路；第一支路和第二支路相并联后接在正、负极端口之间，以实现第一直流电源、第二直流电源与电器设备的连通；切换电路包括分别连接在第一支路、第二支路中的且是由直流接触器构成的第一开关、第二开关，以实现第一直流电源、第二直流电源与电器设备连通的切换；还包括电压采样电路、电流采样电路和控制模块，所述切换电路中还包括由可控型电子开关器件构成的第三开关和第四开关；第三开关和第四开关分别与第一支路的第一开关和第二支路的第二开关相并联；电压采样电路的输入分别接至第一直流电源、第二直流电源的正、负端，以采集第一直流电源和第二直流电源的电压信号；电流采样电路串联至回路，一端接至与电器设备相连接的负极端口，以采集回路中的电流信号；电压采样电路的输出接至控制模块，电压采样电路将采集信号输出给控制模块进行处理；电流采样电路的输出接至控制模块，将采集的信号输出给控制模块进行处理；控制模块的输出分别接至第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，控制模块通过对电流采样电路、电压采样电路输送给的信号的分析以及根据预先设置的条件，分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第一直流电源与电器设备的连通切换成第二直流电源与电器设备的连通，或者是将第二直流电源与电器设备的连通切换成第一直流电源与电器设备的连通。

进一步的，还包括一告警电路，该告警电路与控制模块的输出相连接，当第一直流电源和/或第二直流电源出现异常时，控制模块发送控制信号至告警电路，启动显示功能或声光告警。

所述可控型电子开关器件为单向导通的晶闸管或电力晶体管或MOS栅控晶体管或绝缘栅型双极型晶体管或场效应管。

所述控制模块分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第一直流电源与电器设备相连通切换成第二直流电源与电器设备相连通，包括如下步骤：

控制模块发送吸合信号给第一开关，控制第一开关闭合导通；

在第一开关闭合的状态下，控制模块通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块发送控制信号给第三开关，控制第三开关导通；

当第三开关导通后，控制模块发送关断信号给第一开关，控制第一开关断开；

当第一开关完全断开后，控制模块先后发送控制信号给第四开关、第三开关，先后控制第四开关导通、第三开关断开；

当第四开关导通、第三开关断开后，控制模块发送吸合信号给第二开关，控制第二开关闭合导通；

当第二开关完全吸合导通后，所述的第三开关、第四开关为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第四开关，控制第四开关断开，所述的第三开关、第四开关为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第四开关。

所述控制模块分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第二直流电源与电器设备相连通切换成第一直流电源与电器设备相连通，包括如下步骤：

控制模块发送吸合信号给第二开关，控制第二开关闭合导通；

在第二开关闭合的状态下，控制模块通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块发送控制信号给第四开关，控制第四开关导通；

当第四开关导通后，控制模块发送关断信号给第二开关，控制第二开关断开；

当第二开关完全断开后，控制模块先后发送控制信号给第三开关、第四开关，先后控制第三开关导通、第四开关断开；

当第三开关导通、第四开关断开后，控制模块发送吸合信号给第一开关，控制第一开关闭合导通；

当第一开关完全吸合导通后，所述的第三开关、第四开关为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第三开关，控制第三开关断开，所述的第三开关、第四开关为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第三开关。

本发明的一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，由于第三开关和第四开关采用可控型电子开关器件，是单向导通，因此，不会在两组直流电源形成环流，故称为“无环流”；由于第三开关、第四开关导通和关断的时间极短，时间近视为0，因此，直流电源和电路之间不会掉电。

本发明的有益效果是，由于采用了用来与电器设备相连接的正、负极端口、接有第一直流电源的第一支路、接有第二直流电源的第二支路、切换电路、电压采样电路、电流采样电路和控制模块来构成两组直流电源的无缝无环流切换系统，且切换电路包括分别连接在第一支路、第二支路中的且是由直流接触器构成的第一开关、第二开关，以及由可控型电子开关器件构成的第三开关、第四开关；第三开关、第四开关分别与第一开关、第二开关相并联。该系统采用直流接触器切换，单向导通的可控型电子开关器件补偿，在直流电源自动切换过程中，能够有效的解决直流电源切换存在的环流问题和输出掉电问题，实现直流电源间的无缝无环流切换，具备结构简单新颖，性能可靠的特点。

本发明与现有技术相比较，具有以下技术优点：

1、采用直流接触器切换，单向导通的可控型电子开关器件隔离补偿，实现实时供电；

2、能够有效的解决直流电源切换存在的环流问题和输出掉电问题；

3、结构简单新颖，性能可靠。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种两组直流电源的无缝无环流切换系统不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明用可控硅作为可控型开关器件的结构示意图；

图3是本发明本发明应用于UPS不间断电源系统的示意图。

具体实施方式

实施例，参见图1所示，本发明的一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，包括用来与电器设备相连接的正、负极端口、接有第一直流电源的第一支路、接有第二直流电源的第二支路和切换电路20，其中，第一直流电源为电池DC1，第二直流电源为电池DC2，正极端口为Vout+，负极端口为Vout-；第一支路和第二支路相并联后接在正、负极端口之间，以实现第一直流电源即电池DC1或第二直流电源即电池DC2与电器设备的连通；该切换电路20包括分别连接在第一支路、第二支路中的且是由直流接触器构成的第一开关K1、第二开关K2，以实现电池DC1、电池DC2与电器设备连通的切换；

还包括电压采样电路40、电流采样电路10和控制模块30，且切换电路20中还包括由可控型电子开关器件构成的第三开关K3和第四开关K4；第三开关K3和第四开关K4分别与第一支路的第一开关K1和第二支路的第二开关K2相并联，即第一开关K1与第三开关K3相并联，第二开关K2与第四开关K4相并联；电压采样电路40的输入分别接至电池DC1和电池DC2的正、负端，以采集电池DC1和电池DC2的电压信号；电流采样电路10串联至回路，一端接至与电器设备相连接的负极端口Vout-，以采集回路中的电流信号；电压采样电路40的输出接至控制模块30，电压采样电路40将采集信号输出给控制模块30进行处理；电流采样电路10的输出接至控制模块30，将采集的信号输出给控制模块30进行处理；控制模块30的输出分别接至第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，控制模块30通过对电流采样电路10、电压采样电路40输送给的信号的分析以及根据预先设置的条件，分别向第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4输出控制信号，将电池DC1与电器设备的连通切换成电池DC2与电器设备的连通，或者是将电池DC2与电器设备的连通切换成电池DC1与电器设备的连通。

由于本发明既可以适用于向电器设备供电，也可以是由电器设备向第一直流和第二直流电源充电，困此，预先设置的条件可以根据使用要求来进行设置。

进一步的，还包括一告警电路50，该告警电路50与控制模块30的输出相连接，当电池DC1和/或电池DC2出现异常时，控制模块30发送控制信号至告警电路50，启动显示功能或声光告警。

所述可控型电子开关器件为单向导通的晶闸管或电力晶体管或MOS栅控晶体管或绝缘栅型双极型晶体管或场效应管。

所述控制模块30分别向第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4输出控制信号，将电池DC1与电器设备的连通切换成电池DC2与电器设备的连通，包括如下步骤：

控制模块30发送吸合信号给第一开关K1，控制第一开关K1闭合导通；

在第一开关K1闭合的状态下，控制模块30通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块30发送控制信号给第三开关K3，控制第三开关K3导通；

当第三开关K3导通后，控制模块30发送关断信号给第一开关K1，控制第一开关K1断开；

当第一开关K1完全断开后，控制模块30先后发送控制信号给第四开关K4、第三开关K3，先后控制第四开关K4导通、第三开关K3断开；

当第四开关K4导通、第三开关K3断开后，控制模块30发送吸合信号给第二开关K2，控制第二开关K2闭合导通；

当第二开关K2完全吸合导通后，所述的第三开关K3、第四开关K4为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第四开关K4，控制第四开关K4断开，所述的第三开关K3、第四开关K4为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第四开关。

所述控制模块30分别向第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4输出控制信号，将电池DC2与电器设备的连通切换成电池DC1与电器设备的连通，包括如下步骤：

控制模块30发送吸合信号给第二开关K2，控制第二开关K2闭合导通；

在第二开关K2闭合的状态下，控制模块30通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块30发送控制信号给第四开关K4，控制第四开关K4导通；

当第四开关K4导通后，控制模块30发送关断信号给第二开关K2，控制第二开关K2断开；

当第二开关K2完全断开后，控制模块30先后发送控制信号给第三开关K3、第四开关K4，先后控制第三开关K3导通、第四开关K4断开；

当第三开关K3导通、第四开关K4断开后，控制模块30发送吸合信号给第一开关K1，控制第一开关K1闭合导通；

当第一开关K1完全吸合导通后，所述的第三开关K3、第四开关K4为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第三开关K3，控制第三开关K3断开，所述的第三开关K3、第四开关K4为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第三开关K3。

本发明的一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，电池DC1的正极DC1+直接连接正极端口为Vout+，作为用电设备的输入正极，电池DC1的负极DC1-接至直流接触器K1的第2脚及可控型电子开关器件K3的第2脚，电池DC2的正极DC2+直接连接正极端口为Vout+，作为外部设备的输入正极，电池DC2的负极DC2-接至直流接触器K2的第2引脚及可控型电子开关器件K4的第2脚；可控型电子开关器件K3与直流接触器K1并联，可控型电子开关器件K4与直流接触器K2并联，直流接触器K1的第1脚、直流接触器K2的第1脚、可控型电子开关器件K3的第1脚、可控型电子开关器件K4的第1脚都与电流采样电路的第2端相连，电流采样电路的第1端连接负极端口为Vout-，作为外部设备的输入负极。

图2为本发明用可控硅作为可控型开关器件的两组直流电源切换系统的示意图，其工作方式是控制模块30根据电压采样电路40采集电池DC1和电池DC2的端电压信号，分析选择电池DC1、电池DC2中的一组电池，作为外部设备的直流电源或待充电电池。

当选择电池DC1作为外部设备的直流电源或待充电电池，控制模块30发送控制信号至直流接触器K1，控制直流接触器K1闭合导通，延时1s以保证直流接触器K1完全闭合导通，此时直流接触器K1完全闭合导通，系统选择电池DC1作为外部设备的供给直流电源或者电池DC1作为充电电池；当电池DC1的端电压值偏离设定范围值时或回路的电流值偏离设定范围值(如：电池DC1进入放电状态且放电至欠压、电池DC1突然掉电、电池DC1进入充电状态且充电电压过高等)，电压采样电路40采样电压信号和电流采样电路10采集电流信号反馈至控制模块30，当电池DC2满足一定条件时，控制模块30分析判断后发送控制信号至可控硅SCR1(即相当于第三开关K3)控制可控硅SCR1导通和发送控制信号至告警电路50启动告警电路，延时1s，保证可控硅SCR1完全导通，控制模块30发送关断信号至直流接触器K1，控制直流接触器K1断开，延时1s，保证直流接触器K1完全断开后，控制模块30发送控制信号至可控硅SCR2，控制可控硅SCR2导通、可控硅SCR1反偏截止，延时1s，当可控硅SCR2导通、可控硅SCR1关断后，控制模块30发送吸合信号至直流接触器K2，控制直流接触器K2闭合导通，当直流接触器K2完全吸合导通后，完成电池DC1到电池DC2间的切换；当可控硅SCR1、可控硅SCR2选择可关断的可控硅时，可控硅SCR1反偏截止时，控制模块30可以发送关闭可控硅SCR1，控制可控硅SCR1迅速关断，直流接触器K2完全吸合导通后，控制模块30可以发送关闭可控硅SCR2，控制可控硅SCR2关断。

当选择电池DC2作为外部设备的直流电源或待充电电池，控制模块30发送吸合信号至直流接触器K2，控制直流接触器K2闭合导通，此时直流接触器K2完全闭合导通，系统选择电池DC2作为外部设备的供给直流电源或者电池DC2作为充电电池；当电池DC2的端电压值偏离设定范围值时或回路的电流值偏离设定范围值(如：电池DC2进入放电状态且放电至欠压、电池DC2突然掉电、电池DC2进入充电状态且充电电压过高等)，电压采样电路40采集电压信号和电流采样电路10采集电流信号反馈至控制模块30，当电池DC1满足一定条件时，控制模块30分析判断后发送控制信号至可控硅SCR2控制可控硅SCR2导通和发送控制信号至告警电路50启动告警电路，延时1s，保证可控硅SCR2完全导通，控制模块30发送关断信号至直流接触器K2，控制直流接触器K2断开，延时1s，保证直流接触器K2完全断开后，控制模块30发送触发信号至可控硅SCR1，控制可控硅SCR1导通、可控硅SCR2反偏截止，延时1s，当可控硅SCR1完全导通后，控制模块30发送吸合信号至直流接触器K1，控制直流接触器K1闭合导通，当直流接触器K1完全吸合导通后，完成电池DC2到电池DC1间的切换，当可控硅SCR1、可控硅SCR2选择可关断的可控硅时，可控硅SCR2反偏截止时，控制模块30可以发送关闭可控硅SCR2，控制可控硅SCR2迅速关断，直流接触器K1完全吸合导通后，控制模块30可以发送关闭可控硅SCR1，控制可控硅SCR1关断。

图3是本发明应用于UPS不间断电源系统的实施例。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种两组直流电源的无缝无环流切换系统，包括用来与电器设备相连接的正、负极端口、接有第一直流电源的第一支路、接有第二直流电源的第二支路和切换电路；第一支路和第二支路相并联后接在正、负极端口之间；切换电路包括分别连接在第一支路、第二支路中的且是由直流接触器构成的第一开关、第二开关；

其特征在于：

还包括电压采样电路、电流采样电路和控制模块，所述切换电路中还包括由可控型电子开关器件构成的第三开关和第四开关；第三开关和第四开关分别与第一支路的第一开关和第二支路的第二开关相并联；电压采样电路的输入分别接至第一直流电源、第二直流电源的正、负端，以采集第一直流电源和第二直流电源的电压信号；电流采样电路串联至回路，一端接至与电器设备相连接的负极端口，以采集回路中的电流信号；电压采样电路的输出接至控制模块，电压采样电路将采集信号输出给控制模块进行处理；电流采样电路的输出接至控制模块，将采集的信号输出给控制模块进行处理；控制模块的输出分别接至第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，控制模块通过对电流采样电路、电压采样电路输送给的信号的分析以及根据预先设置的条件，分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第一直流电源与电器设备的连通切换成第二直流电源与电器设备的连通，或者是将第二直流电源与电器设备的连通切换成第一直流电源与电器设备的连通。

2.根据权利要求1所述的两组直流电源的无缝无环流切换系统，其特征在于：进一步的，还包括一告警电路，该告警电路与控制模块的输出相连接，当第一直流电源和/或第二直流电源出现异常时，控制模块发送控制信号至告警电路，启动显示功能或声光告警。

3.根据权利要求1或2所述的两组直流电源的无缝无环流切换系统，其特征在于：所述可控型电子开关器件为单向导通的晶闸管或电力晶体管或MOS栅控晶体管或绝缘栅型双极型晶体管或场效应管。

4.根据权利要求1所述的两组直流电源的无缝无环流切换系统，其特征在于：所述控制模块分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第一直流电源与电器设备相连通切换成第二直流电源与电器设备相连通，包括如下步骤：

控制模块发送吸合信号给第一开关，控制第一开关闭合导通；

在第一开关闭合的状态下，控制模块通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块发送控制信号给第三开关，控制第三开关导通；

当第三开关导通后，控制模块发送关断信号给第一开关，控制第一开关断开；

当第一开关完全断开后，控制模块先后发送控制信号给第四开关、第三开关，先后控制第四开关导通、第三开关断开；

当第四开关导通、第三开关断开后，控制模块发送吸合信号给第二开关，控制第二开关闭合导通；

当第二开关完全吸合导通后，所述的第三开关、第四开关为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第四开关，控制第四开关断开，所述的第三开关、第四开关为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第四开关。

5.根据权利要求1所述的两组直流电源的无缝无环流切换系统，其特征在于：所述控制模块分别向第一开关、第二开关、第三开关和第四开关输出控制信号，将第二直流电源与电器设备相连通切换成第一直流电源与电器设备相连通，包括如下步骤：

控制模块发送吸合信号给第二开关，控制第二开关闭合导通；

在第二开关闭合的状态下，控制模块通过对输入信号的分析以及根据预先设置的模式，需要进行切换时，控制模块发送控制信号给第四开关，控制第四开关导通；

当第四开关导通后，控制模块发送关断信号给第二开关，控制第二开关断开；

当第二开关完全断开后，控制模块先后发送控制信号给第三开关、第四开关，先后控制第三开关导通、第四开关断开；

当第三开关导通、第四开关断开后，控制模块发送吸合信号给第一开关，控制第一开关闭合导通；

当第一开关完全吸合导通后，所述的第三开关、第四开关为全控型的电子开关器件时，控制模块可发送控制信号给第三开关，控制第三开关断开，所述的第三开关、第四开关为半控型的电子开关器件时，控制模块不发送控制信号给第三开关。

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