CN103199615B - 无间断切换电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无间断切换电源，其特征是：在PLC供电系统与UPS之间增设自动转换装置构成无间断切换电源，所述自动转换装置的输入端与UPS输出端连接，所述自动转换装置的输出端与PLC供电系统输入端连接，所述自动转换装置的输入端还与220V外供电源直接连接。有益效果：一旦PLC供电系统中UPS发生硬件故障，可以使PLC供电系统做到无缝化切换，保证PLC系统的平稳运行。采用PLC系统并且具备两路正式供电电源的系统中,均可以采用无间断切换电源替代PLC系统中UPS不间断供电电源，使用电设备正常稳定的运行。当UPS发生硬件故障时，PLC供电系统可在5毫秒内切换到备用电源。

Description

无间断切换电源

技术领域

本发明属于稳压装置，尤其涉及一种应用于PLC供电系统与UPS之间的无间断切换电源。

背景技术

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。如城市中多个污水处理厂就是利用PLC作为自动控制系统的核心，采用分散集中控制系统，来保证水厂生产工艺的平稳运行和用水用户的正常使用，PLC起到了至关重要的作用。其中，供电系统是保证PLC系统正常运行的重要环节，为了保证水厂的平稳运行和连续稳定对外供水，无论从建厂初期的设备选型，还是后期建设，必须层层把关。在实际生产中发现：PLC供电系统的故障次数随着厂区数量的增加和运行时间的增长有逐年递增的趋势。

申请人针对某再生水厂PLC系统的故障率，进行了统计分析，从2002年度到2011年度总故障次数合计为60次。其中，220V交流供电系统原因导致（UPS）20次，24V直流供电系统原因导致14次，附属设备原因导致18次。从统计中可以看出：PLC系统故障分类有PLC模块原因，220V交流供电系统原因，24V直流供电系统原因，附属设备原因。PLC模块故障和附属设备故障只会对PLC系统的局部范围造成影响。而其中供电系统（220V交流供电系统和24V直流供电系统）故障次数为34次，占总故障次数的56%，并且供电系统故障随着厂区数量的增加和运行时间的增长有逐年递增的趋势。UPS和24V电源故障，则会导致整个PLC系统瘫痪。

目前，PLC供电系统的工作原理为市供电源经不间断供电电源（UPS）提供220V交流输出。由于UPS具有稳定电压、抗电磁干扰、可用电池组持续供电等功能，保证了稳定的220V交流输出。当UPS发生硬件故障时，会造成PLC供电系统失电，导致运行全部停止。如恢复PLC供电系统的正常运行，需切换到手动模式，并且要求工作人员熟练掌握操作技能，大约30分钟后能恢复正常的生产运行，待系统生产运行后才能处理UPS的故障。而最快的处理方式就是更换UPS，在有备件的情况下更换UPS大约需要1个小时，如无备件更换周期则较长；另一种处理方式是维修UPS，但维修时间较长，需要几个小时甚至是几天的时间。

申请号：201120491601.9公开了一种稳压装置，包括：第一双电源自动转换开关，其在将高压转换为市电的两个控制变压器的供电之间切换；UPS不间断电源，其经由所述第一双电源自动转换开关而被充电；第二双电源自动转换开关，其在所述第一双电源自动转换开关输出的市电和所述UPS不间断电源的供电之间进行切换；其中当电网正常时，所述UPS不间断电源处于在线模式，当电网波动时，所述第二双电源自动转换开关切换到所述UPS不间断电源。稳压装置的设计在很大程度上避免了由于电网电压不稳定导致控制回路系统电压波动而造成设备停止运行的问题。该稳压装置通过检查电网电压信号波动进行自动切换，但两路电网间切换无明显断开点，在切换过程中势必会造成俩路电网电压并联工作，极可能导致两路电源发生短路现象。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种无间断切换电源，在UPS和PLC系统间增加无间断切换电源后，实现了两路电源的自动转换，保证PLC供电系统的无缝切换，用电设备连续运行。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种无间断切换电源，其特征是：在PLC供电系统与UPS之间增设自动转换装置构成无间断切换电源，所述自动转换装置的输入端与UPS输出端连接，所述自动转换装置的输出端与PLC供电系统输入端连接，所述自动转换装置的输入端还与220V外供电源直接连接。

所述自动转换装置的输入端分别与UPS的输出端和外供电源连接，构成一用一备的供电系统。

所述自动转换装置包括固态继电器、电流互感器、空气断路器和接线端子，所述空气断路器经固态继电器通过逻辑电路的判断后经电流互感器检测电流信号，经熔断器和接线端子至用电设备，所述空气断路器与供电电源连接。

所述自动转换装置设有将供电电源直接引至用电设备的旁路。

所述固态继电器周围设有散热器、风扇和控温装置。

所述自动转换装置的切换时间为4-5毫秒。

所述自动转换装置的逻辑电路是供电电源通过JP0端子经变压器降压后通过JP6接入整流电路，变为直流5V的稳压电源，给逻辑电路板和显示面板供电；JP6的两路电压信号经过光耦给四输入与门CD4082输入信号，同时从JP4输入电流故障信号和过温故障信号，并且故障信号经过JP1的5和6端子输入到面板上显示；经过逻辑单元CD4082、CD4081、CD4069的判断，输出的两路电压信号U1、U2，经过JP1的7和8端子连接到面板上显示；电压信号U1、U2输出上分别接的容值为22uF和47uF的电容，使两路切换时满足时间4-5毫秒间隔的要求；四个继电器KM1、KM2、KM3、KM4通过JP3给PLC输入两路电压信号和故障信号；两路电压信号U1、U2信号通过JP2连接到固态继电器并控制其开通和关断，能够实现远程通讯、远程监控和调取故障信息以及发出故障蜂鸣功能。

所述自动转换装置设有能够迅速关断供电电源的急停按钮。

所述自动转换装置设有故障或改变工作状态时的报警器。

有益效果：与现有技术相比一旦PLC供电系统中UPS发生硬件故障，可以使PLC供电系统做到无缝化切换，保证PLC系统的平稳运行。不仅可以挽回由于PLC供电系统失电给企业造成的损失，还能降低企业的运行成本。采用PLC系统并且具备两路正式供电电源的系统中,均可以采用无间断切换电源替代PLC系统中UPS不间断供电电源，使用电设备正常稳定的运行。当UPS发生硬件故障时，PLC供电系统可在5毫秒内切换到备用电源。

附图说明

图1是本发明的电路连接框图；

图2是自动转换装置的逻辑电路图；

图3是本发明的主回路电路连接图；

图4是本发明的的面板电路连接图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：实施例

详见附图1-4，一种无间断切换电源，在PLC供电系统与UPS之间增设自动转换装置构成无间断切换电源，自动转换装置的输入端与UPS输出端连接，自动转换装置的输出端与PLC供电系统输入端连接，自动转换装置的输入端还与220V外供电源直接连接。电源经空气断路器经固态继电器通过逻辑判断后经电流互感器检测电流信号，经熔断器和接线端子至用电设备。所述自动转换装置的切换时间为4-5毫秒。

本发明的优选方案是：采用固态继电器，固态继电器周围设有散热器、风扇和控温装置。

本发明的优选方案是：当UPS常用电源和备用电源两个电源的情况下，指定UPS电源位置，其操作程序由两个自动转换过程组成；如果UPS电源被检测到出现偏差，则自动将负载从常用电源转换至备用电源；如果UPS电源恢复正常，则自动将负载返回换接到常用电源。被检测的电源偏差：被检测的电源特性的改变，当电源特性偏离规定限值（如电源电压或频率的非正常改变）时，被检测到的电源偏差将发出信号使转换开关动作；动作时间做到≤5ms.保证负载供电不间断。

本发明的优选方案是：自动转换装置具备远程监控设备运行信息、故障信息和设备本身发出故障蜂鸣的功能。

本发明的优选方案是：将供电电源直接引至用电设备的旁路，当自动转换装置逻辑线路出现故障时，可通过旁路功能迅速隔离自动转换装置，将供电电源直接引至用电设备。

本发明的优选方案是：当自动转换装置突发故障时，自动转换装置设置的按钮，可通过急停按钮迅速关断供电电源，保护用电设备。

本发明的优选方案是：自动转换装置设置的故障或改变工作状态时的报警器。每次改变工作状态或出现故障时设备本身会发出蜂鸣，提示工作人员检测设备运行情况。

工作原理：

详见图1，在通常情况下，市供电源经不间断供电电源（UPS），输出端连接至自动转换装置。通过自动转换装置向PLC系统提供稳定的交流220V输出。与此同时，自动转换装置的输入端还连接市供电源作为备用电源。当UPS硬件突发故障导致无法供电时，自动转换装置检测到失电信号后，会在4-5毫秒自动切换至备用电源，保证PLC供电系统的无缝切换，PLC设备连续稳定运行。自动转换装置的切换时间为4-5毫秒，主要通过容量不同的两个电容的放电时间差来实现，用示波器分别测出两个电容的接通关断时间，得出两个电容的放电时间差为4-5毫秒，即为自动转换装置的切换时间。

另外，自动转换装置还具备旁路功能。当自动转换装置逻辑线路出现故障时，可通过旁路功能迅速隔离自动转换装置，将供电电源直接引至用电设备。

一、详见图3，主回路工作原理：

不带旁路功能的电路说明

1、市供电源和UPS输出电源分别连接至输入1和输入2的端子，经两路的空气断路器后，输入1的电源经固态继电器1和3控制输入1的关断，输入2的电源经固态继电器2和4控制输入1的关断。两路输入源只有一路正常供电经电流互感器和熔断器后经输出端子连接至用电设备为其提供连续的供电电源。

2、JP7直接连接熔断丝两侧，指示熔断丝是否工作正常。

3、熔断器后输出电路和JP4端子设有温控检测装置根据设定温度调节

风扇开启。分别保护设备本身的温度和线路温度，起到强制降温的保

护作用。

4、JP0端子是为逻辑电路和面板电路提供电源的端子。

5、JP2端子是逻辑电路判断后控制固态继电器的关断。

带旁路的功能原理：

1、市供电源和UPS输出电源分别连接至输入1和输入2的端子，经两路的空气断路器后，输入1的电源经固态继电器1和3控制输入1的关断，输入2的电源经固态继电器2和4控制输入1的关断。两路输入源只有一路正常供电经电流互感器和熔断器后经输出端子连接至用电设备为其提供连续的供电电源。

2、当逻辑线路出现故障时固态继电器无法正常工作，此时工作电源无法正常输出，K3继电器处于失电状态，此时按下旁路1的按钮SB1或旁路2的按钮SB2后会使K1或K2继电器导通触发，同时旁路1或旁路2的指示灯进行工作指示，K1或K2继电器的常开触点变换为常闭触点，KM1或KM2接触器导通，KM1或KM2的常开、常闭触点发生状态转换后经熔断器后经输出端子连接至用电设备为其提供连续的供电电源。

3、JP7直接连接熔断丝两侧，指示熔断丝是否工作正常。

4、熔断器后输出电路和JP4端子设有温控检测装置根据设定温度调节风扇开启。分别保护设备本身的温度和线路温度，起到强制降温的保护作用。

5、JP0端子是为逻辑电路和面板电路提供电源的端子。

6、JP2端子是逻辑电路判断后控制固态继电器的关断

7、可手动按下急停按钮SB将控制电源和主回路电源切断，保证设备正常工作。

二、详见图2，逻辑电路工作原理

1、供电电源通过JP0端子经变压器降压后通过JP6（JP5为备用电源端子）接入整流电路，变为直流5V的稳压电源，给逻辑电路板和显示面板供电。

2、JP6的两路电压信号经过光耦给四输入与门CD4082输入信号，同时从JP4输入电流故障信号和过温故障信号，并且故障信号经过JP1的5和6端子输入到面板上显示。

3、经过逻辑单元CD4082、CD4081、CD4069的判断，输出的两路电压信号U1、U2，经过JP1的7和8端子连接到面板上显示。

4、电压信号U1、U2输出上分别接的容值为22uF和47uF的电容，使两路切换时满足时间4-5毫秒间隔的要求

5、四个继电器KM1、KM2、KM3、KM4通过JP3给PLC输入两路电压信号和故障信号。

6、两路电压信号U1、U2信号通过JP2连接到固态继电器并控制其开通和关断。

三、详见图4，面板电路工作原理

1、JP1的1和2端子直接接变压器输出的电压，连接发光二极管为电源指示灯。

2、JP1的3和4端子为5V直流供电电源。

3、JP1的5和6端子连接故障输入信号，分别为过热指示和过流指示。

4、JP1的7和8端子连接逻辑电路的两路电压信号U1和U2输出的工作指示灯，并且在切换时触发蜂鸣器，并带有消音按钮。

5、JP7直接连接熔断丝两侧，指示熔断丝是否工作正常。

两个电源无间隙切换方案的选择：

方案一

要想做到两个电源无间隙切换，必须将UPS和工作电源并联，这两个交流的电源的频率、幅值都相同时才可并联正常工作，那就要改变UPS的逆变模块的触发电路，也就是用PWM调制跟随工作电源，但存在难点：（1）需要用单片机编程，修改原UPS线路，线路复杂，而且UPS是第三方厂家

产品，即便顺利更改其线路，不能保证整改后的稳定性。（2）两电源共同供给负载，造成不必要的功率损耗。当某一个交流电源发生故障时，在两个电源之间将产生均衡电流，从而使两个并联电源的输出电压发生变化，影响供电的可靠性。此方案不可行

方案二

做到PLC供电系统的无缝切换，控制其失电时间≤5ms。

不需要将UPS和工作电源并联，也不需要调制工作电源和UPS输出幅值和频率。

PLC供电系统的主要组成部分包括PLC模块、中间继电器、24V电源、空气断路器、接线端子。

要想做到PLC供电系统的无缝切换，就要保证这些元件不失电。

实验：以下是用对某再生水厂臭氧间、净水间和加药间的PLC站各元件失电时间的检测结果：

	PLC模块	中间继电器	24V电源	空气断路器	端子
						臭氧间	24ms	11ms	14ms	0ms	0ms
净水间	22ms	13ms	12ms	0ms	0ms
						加药间	27ms	10ms	1lms	0ms	0ms

经过上述表格可以看出，空气断路器和端子不存在失电情况，PLC模块在大于22ms时会检测到失电情况，中间继电器和24V电源在失电时间大于10ms时会检测到失电情况。由此可以得知，当UPS电源出现故障时，自动转换装置只要能在10ms内将常用电源切换至备用电源就可以保证PLC供电系统的持续工作。

为能满足上述的切换时间，对自动转换装置核心器件的选定提出了更高的要求。通过对市面上各种电子器件的性能进行对比，将固态继电器作为备选器件。下表是对现用的绝缘栅双极型晶体管和备选的固态继电器从化性能方面进行对比：

绝缘栅双极型晶体管（IBGT）：是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管。

优点：（1）驱动功率小；（2）饱和压降低而容量大；（3）频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内；（4）静态特性IGBT主要具有伏安特性、转移特性和开关特性。

缺点：（1）用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。（2）开关转换速度>10ms；

固态继电器(SSR)：是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

优点：（1）高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。

（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换:固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。

（4）电磁干扰少:固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。

缺点：（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1-2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1-2V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电阻大。

（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。

（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。

（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。

（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。

经过大量的实验研究表明，这两种电子元件从转换方式上都能满足工作需求，但在反应速度方面固态继电器在反应速度上要优于IGBT。所以选择固定继电器作为自动转换装置是实现PLC供电系统无缝化切换的重要保障。由于固态继电器的散热性较弱，所以在组装过程中特意在其周围增加了强冷装置、散热器、风扇以及控温装置，保证了固态继电器的高效工作状态。

为能再次缩短切换时间，继续进行试验发现，当切换时间降到3毫秒时，两路电源会发生短路而导致无法切换。所以失电时间控制为4-5毫秒是实现PLC供电系统无缝化切换的最佳方案。

具备功能

正常供电电源失电情况下，在运行设备检测到失电信号前，常用电源迅速切换到备用电源，保证设备稳定运行。

该设备具备两路供电电源工作状态，过电流报警等信息及电流显示功能。

在具备两路正式供电电源的基础上，自动转换装置可以替代传统的UPS不间断供电电源，使用电设备正常稳定的运行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。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，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种无间断切换电源，其特征是：在PLC供电系统与UPS之间增设自动转换装置构成无间断切换电源，所述自动转换装置的输入端与UPS输出端连接，所述自动转换装置的输出端与PLC供电系统输入端连接，所述自动转换装置的输入端还与220V外供电源直接连接；所述自动转换装置的逻辑电路是供电电源通过JP0端子经变压器降压后通过JP6接入整流电路，变为直流5V的稳压电源，给逻辑电路板和显示面板供电；JP6的两路电压信号经过光耦给四输入与门CD4082输入信号，同时从JP4输入电流故障信号和过温故障信号，并且故障信号经过JP1的5和6端子输入到面板上显示；经过逻辑单元CD4082、CD4081、CD4069的判断，输出的两路电压信号U1、U2，经过JP1的7和8端子连接到面板上显示；电压信号U1、U2输出上分别接的容值为22μf和47μf的电容，使两路切换时满足时间4-5毫秒间隔的要求；四个继电器KM1、KM2、KM3、KM4通过JP3给PLC输入两路电压信号和故障信号；两路电压信号U1、U2信号通过JP2连接到固态继电器并控制其开通和关断，能够实现远程通讯、远程监控和调取故障信息以及发出故障蜂鸣功能；其中JP0端子为逻辑电路和面板电路提供电源的端子；JP1的1和2端子为变压器输出的电压及连接电源指示灯，JP1的3和4端子为5V直流供电电源，JP1的5和6端子连接故障输入信号，分别为过热指示和过流指示，JP1的7和8端子连接逻辑电路的两路电压信号U1和 U2输出的工作指示灯。

2.根据权利要求1所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置的输入端分别与UPS的输出端和外供电源连接，构成一用一备的供电系统。

3.根据权利要求1或2所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置包括固态继电器、电流互感器、空气断路器和接线端子，所述空气断路器经固态继电器通过逻辑电路的判断后经电流互感器检测电流信号，经熔断器和接线端子至用电设备，所述空气断路器与供电电源连接。

4.根据权利要求3所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置设有将供电电源直接引至用电设备的旁路。

5.根据权利要求4所述的无间断切换电源，其特征是：所述固态继电器周围设有散热器、风扇和控温装置。

6.根据权利要求5所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置的切换时间为4-5毫秒。

7.根据权利要求6所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置设有能够迅速关断供电电源的急停按钮。

8.根据权利要求7所述的无间断切换电源，其特征是：所述自动转换装置设有故障或改变工作状态时的报警器。