CN102570592B

CN102570592B - 不间断直流供电方法和装置

Info

Publication number: CN102570592B
Application number: CN201210013074.XA
Authority: CN
Inventors: 陆得盛; 张达; 杨小聪; 余斌; 张元生; 刘建东; 余乐文; 王利岗; 陈凯; 杨喜迎; 金枫
Original assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102570592A

Abstract

本发明涉及一种不间断直流供电方法和装置。该方法主要包括：变压器两组副边输出线圈的整流输出分别作为主直流供电线路和电池供电线路，将电池端连接到一个P沟道MOS场效应管的源极，所述P沟道MOS场效应管的漏极连接到所述直流二次稳压线路的输入端。当电网工作正常时，所述主直流供电线路将接收到的交流电压转化为直流电压并传输到直流二次稳压线路，所述电池充电线路将接收到的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态。在电网工作故障时，P沟道MOS场效应管处于导通状态，所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管传输到直流二次稳压线路。本发明实施例中的主直流供电线路和电池供电线路之间的切换方式简单可靠，不会造成直流输出电压的瞬间掉电或跌落。

Description

不间断直流供电方法和装置

技术领域

本发明涉及工业应用技术领域，尤其涉及一种不间断直流供电方法和装置。

背景技术

在矿山在线安全监测系统中，由于矿山的环境特殊性，经常存在诸如高温、多尘、高湿、高寒、雷电等极端恶劣条件，同时，又存在频繁停电、供电线路屡遭破坏的实际问题，矿山在线安全监测系统的可靠性问题，特别是供电的可靠性问题，已经成为业界关注的焦点问题之一。同时，越是出现险情时，在线安全监测系统的可靠性越差，这一问题，极大限制了矿山在线安全监测系统的应用范围，也为矿山安全生产埋下了隐患。在这种应用背景下，一种不间断直流电源设备的出现解决了井下供电可靠性问题，这种电源设备具有电池备份线路，当电网正常的时候本电源设备通过电网获取电能，当电网出现故障不能供电的时候自动转到电池供电，保证一定时间内直流电压的输出，确保系统正常运行。

上述不间断直流电源设备具备两部分供电线路，一部分是电网供电线路，从电网获取交流电经过直流变换后输出；另一部分是电池供电线路。在电网正常的时候通过电网供电线路供电，当电网故障时候转到电池供电线路供电。

现有技术中的一种在上述不间断直流电源设备的电网供电线路和电池供电线路之间进行切换的方法为：采用继电器开关切换的方式进行主备份供电线路的切换。电网供电线路和电池供电线路都通过继电器开关连接到后级的直流稳压线路。当电网电压正常的时候，电网供电线路的继电器开关闭合，电网供电线路给直流稳压线路供电，此时电池也通过电网充电保持满能量状态。当电网故障的时候，检测线路检测到故障后通知控制线路断开电网供电线路，接通电池供电线路的继电器开关，这时由电池供电线路给直流稳压线路供电。

现有技术中的在上述不间断直流电源设备的电网供电线路和电池供电线路之间进行切换的方法的缺点为：由于继电器开关在关断和打开过程中的较长延时及检测线路的延时，会造成直流输出电压的瞬间掉电或跌落，而且由于器件特性的不一致，这个掉电或跌落情况也会有不同，对直流用电设备造成一定的影响。

发明内容

本发明的实施例提供了一种不间断直流供电方法和装置，以实现有效地在主直流供电线路和电池供电线路之间进行切换。

一种不间断直流供电方法，包括：

将变压器的第一组副边输出线圈连接到主直流供电线路的输入端，所述主直流供电线路的输出端连接到直流二次稳压线路的输入端，将所述变压器的第二组副边输出线圈连接到电池充电线路的输入端，所述电池充电线路连接到电池端，所述电池端连接到一个P沟道金属绝缘体半导体MOS场效应管的源极，所述P沟道MOS场效应管的漏极连接到所述直流二次稳压线路的输入端和所述主直流供电线路的输出端；

当电网工作正常时，所述主直流供电线路将从所述第一组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，并将所述直流电压传输到直流二次稳压线路的输入端，所述电池充电线路将从所述第二组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压大于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态。

一种不间断直流供电装置，包括：

变压器线圈模块，用于将变压器的第一组副边输出线圈连接到主直流供电线路的输入端，将所述变压器的第二组副边输出线圈连接到电池充电线路的输入端；

主直流供电线路模块，用于将所述主直流供电线路的输出端连接到直流二次稳压线路的输入端，当电网工作正常时，将从所述第一组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，并将所述直流电压传输到直流二次稳压线路的输入端；

电池供电线路模块，包括：电池充电线路连接和电池端，所述电池端连接到一个P沟道金属绝缘体半导体MOS场效应管的源极，所述P沟道MOS场效应管的漏极连接到所述直流二次稳压线路的输入端和所述主直流供电线路的输出端；当电网工作正常时，所述电池充电线路将从所述第二组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压大于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例中的主直流供电线路和电池供电线路之间的切换方式简单可靠，切换开关控制简单，不会造成直流输出电压的瞬间掉电或跌落。本发明实施例通过反馈电路的调节控制，可以使主直流供电线路输出的直流电压被限制在规定的阈值范围之内。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种不间断直流供电方法的实现原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种不间断直流供电方法的具体处理流程图；

图3为本发明实施例二提供的一种不间断直流供电装置的具体结构图。

具体实施方式

实施例一

实施例提供的一种不间断直流供电方法的实现原理示意图如图1所示，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤S201、将同一变压器的两组副边输出线圈分别连接到主直流供电线路和电池充电线路，并将电池端连接到一个P沟道MOS(metal insulatorsemiconductor，金属绝缘体半导体)场效应管。

将变压器的第一组副边输出线圈S1连接到主直流供电线路的输入端，所述主直流供电线路的输出端连接到直流二次稳压线路(DC-DC单元)的输入端，将所述变压器的第二组副边输出线圈S2连接到电池充电线路的输入端，所述电池充电线路连接到电池端，所述电池端连接到一个P沟道MOS场效应管的源极(D极)，所述P沟道MOS场效应管的漏极(S极)连接到所述直流二次稳压线路的输入端和所述主直流供电线路的输出端。通过上述电路结构，本发明实施例实现了电路的简化降低复杂度。

步骤S202、当电网工作正常时，所述P沟道MOS场效应管关闭，所述主直流供电线路给直流二次稳压线路供电；当电网工作故障时，所述P沟道MOS场效应管导通，所述电池端给直流二次稳压线路供电。

如图1所示，所述主直流供电线路中包括二极管D1和电容C1组成的整流电路。所述电池充电线路中包括二极管D2和电容C2组成的整流电路。

当电网工作正常时，所述主直流供电线路中的整流电路将从S1接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，并将所述直流电压传输到直流二次稳压线路的输入端。所述电池充电线路中的整流电路将从所述S2接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电。正常情况下所述主直流供电线路输出的直流电压大于上述电池充电后输出的最大电压，所述P沟道MOS场效应管的漏极(S极)的电压大于源极(D极)的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态。电池端不对外供电，处于热备份状态。

上述直流二次稳压线路的供电由所述主直流供电线路中的整流电路提供。所述主直流供电线路的输出是开环形式，所述主直流供电线路输出的直流电压非恒定不变，通过后级的直流二次稳压线路将所述主直流供电线路输出的直流电压稳定在要求的范围之内。

在电网工作故障时，所述S1输出的交流电压将降低或者降为0，所述主直流供电线路输出的直流电压降低，所述P沟道MOS场效应管的漏极(S极)的电压低于源极(D极)的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管从内部二极管特性的导通状态进入到完全导通状态，所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管的D极、S极传输到所述直流二次稳压线路的输入端，从而实现供电线路的切换，上述供电线路切换的具体处理过程如下：

在所述主直流供电线路中设置由二极管D3、电容C3、稳压二极管ZD1和电阻R1组成的电压监测电路，所述D3的正极连接所述第一组副边输出线圈的输出端，所述D3的负极连接所述C3，所述C3两端并联所述R1，所述C3的高压端连接所述ZD1的正极，所述ZD1的负极连接电阻R2的一端，所述R2的另一端连接到三极管Q3的基极，所述Q3的射极连接到电阻R4的一端，所述R4的另一端连接到电阻R5的一端，所述R5的另一端连接到所述P沟道MOS场效应管的S极，所述R4与R5的连接端同时连接到所述P沟道MOS场效应管的栅极。

在电网工作故障时，所述S1输出的交流电压降低或者无输出电压，所述C3开始通过所述R1放电，当所述C3上的电压低于设定的数值时，所述ZD1击穿导通，所述Q3导通，所述R4的一端被拉为低电位，所述R4的另一端将所述P沟道MOS场效应管的栅极拉为低电平，当所述P沟道MOS场效应管的漏极(S极)的电压刚刚低于源极(D极)的电压的时候，由于P沟道MOS场效应管内部二极管特性的存在，P沟道开始以二极管的特性导通，电池端开始通过P沟道MOS场效应管为后级的直流稳压线路供电，当P沟道MOS场效应管的栅极被拉为低电平后，所述P沟道MOS场效应管从正向二极管导通态过渡到完全导通状态，减小P沟道MOS场效应管本身的功率消耗。然后，所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管的D极、S极传输到所述传输到直流二次稳压线路的输入端，实现了供电线路的无间隙切换。

步骤S203、通过反馈电路对所述主直流供电线路输出的直流电压的最大值进行控制。

由于所述主直流供电线路的输出是开环形式，当设备很轻或者空载的情况下，所述主直流供电线路输出的直流电压会很高，如不控制可造成后级直流稳压线路进入保护状态，超出后级输入电压范围。因此，本发明实施例还设置了对所述主直流供电线路输出的直流电源的最大值进行控制的反馈电路，该反馈电路中包括：所述S2的恒流恒压控制单元，通过调低该恒流恒压控制单元的恒流控制基准来调低所述S1和S2的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。

如图1所示，在所述主直流供电线路的直流电压的输出端连接到稳压二极管ZD2的负端，所述ZD2的正端连接到电阻R6的一端，所述R6的另一端连接到电阻R7的一端，所述R7的另一端接地，所述R6与R7的连接端同时连接到三极管Q4的基极控制端，所述Q4的集电极端连接到所述S2的输出控制单元，所述Q4的射极接地。

当电网工作正常、电池处于充电状态下，所述直流二次稳压线路所连接的用电设备的负载低于设定数值时，比如负载很轻或者空载时，所述主直流供电线路输出的直流电压的数值高于设定的数值，所述ZD2、Q4导通，通过所述Q4的导通控制所述S2的恒流恒压控制单元来调低所述S2的输出电压，因为S1线圈与S2线圈同属于副边的感应线圈，他们之间的输出能量有基本的恒定比例，S2线圈的输出电压降低，S1线圈的输出电压同样降低，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值，从而形成负反馈的调节作用，使所述主直流供电线路输出的直流电压的数值被限制在规定的阈值之内。

在图1中，所述恒流恒压控制单元控制所述电池充电线路输出的直流电流符合设定的恒流基准，并且控制所述电池充电线路输出的直流电压符合设定的恒压基准。当Q4导通后，恒流恒压控制单元的恒流控制基准被Q4拉电流调低，S2线圈输出整流后对电池充电的电流相应被调低，因此S2线圈的输出能量被降低，因为S1线圈与S2线圈同属于副边的感应线圈，他们之间的输出能量有基本的恒定比例，S2线圈输出降低，S1线圈输出同样降低，所以S1的整流输出电压降低。

实施例二

该实施例提供的一种不间断直流供电装置的实现电路示意图如图1所示，具体结构图如图3所示，包括如下的模块：

变压器线圈模块31，用于将变压器的第一组副边输出线圈连接到主直流供电线路的输入端，将所述变压器的第二组副边输出线圈连接到电池充电线路的输入端；

主直流供电线路模块32，用于将所述主直流供电线路的输出端连接到直流二次稳压线路的输入端，当电网工作正常时，将从所述第一组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，并将所述直流电压传输到直流二次稳压线路的输入端；

电池供电线路模块33，包括：电池充电线路连接和电池端，所述电池端连接到一个P沟道金属绝缘体半导体MOS场效应管的源极，所述P沟道MOS场效应管的漏极连接到所述直流二次稳压线路的输入端和所述主直流供电线路的输出端；当电网工作正常时，所述电池充电线路将从所述第二组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压大于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态。

进一步地，所述的装置还可以包括供电线路切换模块34，用于在电网工作故障，所述主直流供电线路从所述第一组副边输出线圈接收到的交流电压降低，所述主直流供电线路输出的直流电压降低，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压低于源极的电压设定数值时，控制所述P沟道MOS场效应管从关闭状态转换为导通状态，使得所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管的源极、漏极传输到所述直流二次稳压线路的输入端。

具体的，所述的供电线路切换模块34，包括由二极管D3、电容C3、稳压二极管ZD1和电阻R1组成的电压监测电路，所述D3的正极连接所述第一组副边输出线圈的输出端，所述D3的负极连接所述C3，所述C3两端并联所述R1，所述C3的高压端连接所述ZD1的正极，所述ZD1的负极连接电阻R2的一端，所述R2的另一端连接到三极管Q3的基极，所述Q3的射极连接到电阻R4的一端，所述R4的另一端连接到电阻R5的一端，所述R5的另一端连接到所述P沟道MOS场效应管的S极，所述R4与R5的连接端同时连接到所述P沟道MOS场效应管的栅极；

在电网工作故障时，所述第一组副边输出线圈输出的交流电压降低或者无输出电压，所述C3开始通过所述R1放电，当所述C3上的电压低于设定的数值时，所述ZD1击穿导通，所述Q3导通，当所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压刚刚低于源极的电压的时候，所述P沟道MOS场效应管二极管的特性导通，所述电池端开始通过P沟道MOS场效应管为后级的直流二次稳压线路供电，当所述R4的一端被拉为低电位，所述R4的另一端将所述P沟道MOS场效应管的栅极拉为低电平后，所述P沟道MOS场效应管从正向二极管导通过渡到完全导通状态。

进一步地，所述的装置还可以包括：

反馈控制模块35，用于在所述主直流供电线路的直流电压的输出端连接到稳压二极管ZD2的负端，所述ZD2的正端连接到电阻R6的一端，所述R6的另一端连接到电阻R7的一端，所述R7的另一端接地，所述R6与R7的连接端同时连接到三极管Q4的基极控制端，所述Q4的集电极端连接到所述第一组副边输出线圈和第二组副边输出线圈的输出电压控制单元，所述Q4的射极接地；

当电网工作正常，所述直流二次稳压线路所连接的用电设备的负载低于设定数值时，所述主直流供电线路输出的直流电压的数值高于设定的数值，所述ZD2、Q4导通，通过所述Q4的导通控制所述第二组副边输出线圈的恒流恒压控制单元调低所述第一组副边输出线圈和第二组副边输出线圈的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。

具体的，所述的恒流恒压控制单元控制所述电池充电线路输出的直流电流符合设定的恒流基准，控制所述电池充电线路输出的直流电压符合设定的恒压基准，通过所述Q4的导通调低所述恒流恒压控制单元的恒流基准，所述第二组副边输出线圈的输出电压降低，从而调低所述第一组副边输出线圈的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。

应用本发明实施例的装置不间断供电的具体处理过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例中的主直流供电线路和电池供电线路之间的切换方式简单可靠，切换开关控制简单，不会造成直流输出电压的瞬间掉电或跌落。

本发明实施例通过反馈电路的调节控制，可以使主直流供电线路输出的直流电压被限制在规定的阈值范围之内，防止超出后级直流稳压线路的输入限制。

电网故障后电池有效切换，保证输出电压不跌落；切换线路简单可靠并低功耗；采用一套变换线路实现电池充电和主供电；切换开关控制线路简单；采用简单的线路实现了各单元功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种不间断直流供电方法，其特征在于，包括：

当电网工作正常时，所述主直流供电线路将从所述第一组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，并将所述直流电压传输到直流二次稳压线路的输入端，所述电池充电线路将从所述第二组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压大于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态；

在电网工作故障时，所述主直流供电线路从所述第一组副边输出线圈接收到的交流电压降低，所述主直流供电线路输出的直流电压降低，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压低于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于导通状态，所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管的源极、漏极传输到所述直流二次稳压线路的输入端；

所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压低于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于导通状态，包括：

在所述主直流供电线路中设置由二极管D3、电容C3、稳压二极管ZD1和电阻R1组成的电压监测电路，所述D3的正极连接所述第一组副边输出线圈的输出端，所述D3的负极连接所述C3，所述C3两端并联所述R1，所述C3的高压端连接所述ZD1的正极，所述ZD1的负极连接电阻R2的一端，所述R2的另一端连接到三极管Q3的基极，所述Q3的射极连接到电阻R4的一端，所述R4的另一端连接到电阻R5的一端，所述R5的另一端连接到所述P沟道MOS场效应管的S极，所述R4与R5的连接端同时连接到所述P沟道MOS场效应管的栅极；

2.根据权利要求1所述的不间断直流供电方法，其特征在于，所述的方法还包括：

在所述主直流供电线路的直流电压的输出端连接到稳压二极管ZD2的负端，所述ZD2的正端连接到电阻R6的一端，所述R6的另一端连接到电阻R7的一端，所述R7的另一端接地，所述R6与R7的连接端同时连接到三极管Q4的基极控制端，所述Q4的集电极端连接到所述第一组副边输出线圈和第二组副边输出线圈的输出电压控制单元，所述Q4的射极接地；

当电网工作正常、电池处于充电状态下，所述直流二次稳压线路所连接的用电设备的负载低于设定数值时，所述主直流供电线路输出的直流电压的数值高于设定的数值，所述ZD2、Q4导通，通过所述Q4的导通控制所述第二组副边输出线圈的恒流恒压控制单元调低所述第一组副边输出线圈和第二组副边输出线圈的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。

3.根据权利要求2所述的不间断直流供电方法，其特征在于，所述的方法，还包括：

所述恒流恒压控制单元控制所述电池充电线路输出的直流电流符合设定的恒流基准，控制所述电池充电线路输出的直流电压符合设定的恒压基准，通过所述Q4的导通调低所述恒流恒压控制单元的恒流基准，所述第二组副边输出线圈的输出电压降低，从而调低所述第一组副边输出线圈的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。

4.一种不间断直流供电装置，其特征在于，包括：

电池供电线路模块，包括：电池充电线路连接和电池端，所述电池端连接到一个P沟道金属绝缘体半导体MOS场效应管的源极，所述P沟道MOS场效应管的漏极连接到所述直流二次稳压线路的输入端和所述主直流供电线路的输出端；当电网工作正常时，所述电池充电线路将从所述第二组副边输出线圈接收到的来自电网的交流电压转化为直流电压，对所述电池进行充电，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压大于源极的电压设定数值，所述P沟道MOS场效应管处于关闭状态；

供电线路切换模块，用于在电网工作故障，所述主直流供电线路从所述第一组副边输出线圈接收到的交流电压降低，所述主直流供电线路输出的直流电压降低，所述P沟道MOS场效应管的漏极的电压低于源极的电压设定数值时，控制所述P沟道MOS场效应管从关闭状态转换为导通状态，使得所述电池端输出的直流电压通过所述P沟道MOS场效应管的源极、漏极传输到所述直流二次稳压线路的输入端；

所述的供电线路切换模块，包括由二极管D3、电容C3、稳压二极管ZD1和电阻R1组成的电压监测电路，所述D3的正极连接所述第一组副边输出线圈的输出端，所述D3的负极连接所述C3，所述C3两端并联所述R1，所述C3的高压端连接所述ZD1的正极，所述ZD1的负极连接电阻R2的一端，所述R2的另一端连接到三极管Q3的基极，所述Q3的射极连接到电阻R4的一端，所述R4的另一端连接到电阻R5的一端，所述R5的另一端连接到所述P沟道MOS场效应管的S极，所述R4与R5的连接端同时连接到所述P沟道MOS场效应管的栅极；

5.根据权利要求4所述的不间断直流供电装置，其特征在于，所述的装置还包括：

反馈控制模块，用于在所述主直流供电线路的直流电压的输出端连接到稳压二极管ZD2的负端，所述ZD2的正端连接到电阻R6的一端，所述R6的另一端连接到电阻R7的一端，所述R7的另一端接地，所述R6与R7的连接端同时连接到三极管Q4的基极控制端，所述Q4的集电极端连接到所述第一组副边输出线圈和第二组副边输出线圈的输出电压控制单元，所述Q4的射极接地；

6.根据权利要求5所述的不间断直流供电装置，其特征在于，所述的恒流恒压控制单元控制所述电池充电线路输出的直流电流符合设定的恒流基准，控制所述电池充电线路输出的直流电压符合设定的恒压基准，通过所述Q4的导通调低所述恒流恒压控制单元的恒流基准，所述第二组副边输出线圈的输出电压降低，从而调低所述第一组副边输出线圈的输出电压，进而降低所述主直流供电线路输出的直流电压的数值。