CN103401306B - 交直流供电无延时切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供电设备技术领域，公开了一种交直流供电无延时切换系统。该系统包括：交流输入单元、直流输入单元和输出控制单元；交流输入单元包括交流电源和单相整流桥，直流输入单元包括蓄电池组，输出控制单元包括可控硅和触发电路；其中，单相整流桥连接交流电源，将交流电转换成脉动直流电；蓄电池组负极与单相整流桥输出负极相连接，蓄电池组正极与可控硅阳极相连接；可控硅阴极与单相整流桥输出正极相连接，触发电路连接在可控硅阳极与控制极之间。本发明的技术方案采用少量的电子元件完成供电的主备切换，简化了电路结构，降低了故障率，提高了系统的可靠性，同时实现了交直流供电的无延时切换，极大提升了系统安全性能。

Description

交直流供电无延时切换系统

技术领域

本发明涉及供电设备技术领域，特别涉及一种交直流供电无延时切换系统。

背景技术

对于重要的核心用电设备，后备电源是保证设备安全稳定运行的重要组件。比如在核心的通信网络节点，为了保证整个通信网络的安全和稳定性，需要在断电等突发情况发生时接通后备供电模组，以保证通信系统能持续正常运行直到恢复正常供电。通常情况下，核心用电设备主要通过市电供电获取电力，在市电断电时采用蓄电池组作为后备电源进行供电。由于市电是交流电源，而蓄电池组是直流电源，因此在主备电源供电切换的同时还涉及到交直流切换的问题，对切换电路的可靠性有较高的要求。

现有技术中，中小功率后备电源系统通常采用继电器开关进行切换，该方式虽然设备成本低、电路容易实现，但带有机械触点的继电器由于是模拟控制方式，响应速度有限，通常切换时间大于10毫秒，不能满足重要场合的使用需求。另外，现有技术中还出现了半导体器件与继电器的组合应用，如中国专利公开文献CN102842950A中所公开的（参见图1），其交直流切换开关均采用IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）5、6与继电器（包括继电器线圈1、3和继电器开关2、4）并联，由主控板根据对电压的检测进行控制，现有的组合方式虽然解决了切换时间的要求，但其电路复杂，设备故障率高，导致维护量大大增加；此外，由于交流电压本身周期性变化较大，要判断是否交流断电需要等待一段时间，无法实现真正的无延时切换。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现便捷的交直流供电切换。

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种交直流供电无延时切换系统，所述系统包括交流输入单元、直流输入单元和输出控制单元；

所述交流输入单元包括交流电源和单相整流桥，所述直流输入单元包括蓄电池组，所述输出控制单元包括可控硅和触发电路；其中，

所述单相整流桥连接所述交流电源，将交流电转换成脉动直流电；

所述蓄电池组负极与所述单相整流桥输出负极相连接，所述蓄电池组正极与所述可控硅阳极相连接；

所述可控硅阴极与所述单相整流桥输出正极相连接，所述触发电路连接在所述可控硅阳极与控制极之间。

优选地，所述触发电路包括稳压二极管。

优选地，所述触发电路中还包括与所述稳压二极管串联的限流电阻。

优选地，所述单相整流桥为半导体整流桥。

优选地，所述稳压二极管的导通电压大于所述蓄电池组总电压与所述脉动直流电最小电压的差值。

优选地，所述限流电阻电阻值使得所述稳压二极管导通时的电流大于可控硅控制极可靠触发导通的最小电流而小于稳压管工作的最大安全电流。

优选地，所述单相整流桥输出正极和输出负极连接负载进行供电。

本发明的技术方案采用少量的电子元件完成供电的主备切换，优先采用市电供电，比专用供电系统节省了能源；由于简化了电路结构，降低了故障率，提高了系统的可靠性，并节省投资，减少了运营费用。最后，通过合理的设置，本发明的系统切换时机的感应准确及时，实现了交直流供电的无延时切换，极大提升了系统安全性能。

附图说明

图1为现有技术中交直流供电切换系统的电路结构示意图；

图2为本发明一个优选实施例中交直流供电无延时切换系统的电路结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中交直流供电无延时切换系统的工作电压变化波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术的缺陷，本发明中提供了一种新型电路，在提升安全性能的基础上，使电路尽可能简单，从而进一步提高供电系统的可靠性，减少维护量和制造成本。

如图2所示，在本发明的一个优选实施例中，交直流供电无延时切换系统包括交流输入单元、直流输入单元和输出控制单元；交流输入单元包括交流电源201和单相整流桥202，直流输入单元包括蓄电池组203，输出控制单元包括可控硅204和触发电路；其中，单相整流桥202连接交流电源201，将交流电转换成脉动直流电；蓄电池组203负极与单相整流桥202输出负极相连接，蓄电池组203正极与可控硅204阳极相连接；可控硅204阴极与单相整流桥202输出正极相连接，触发电路连接在可控硅204阳极与控制极之间。显然易见地，单相整流桥202输出正极和输出负极作为输出端连接负载。

通过图2的方式，本发明的切换系统在交流电源正常供电时，由脉动直流电承担向负载供电任务；当交流电源断电时，通过可控硅的导通切换到蓄电池组的直流供电。由于可控硅的控制极连有触发电路，触发电路仅对脉动直流电的异常变动产生反应，而不受脉动直流电正常波动范围内电压的影响，保证了切换系统可以准确判断交流电断电的真实情况并及时做出响应，实现了真正的无延时切换。

在图2的优选实施例中，交流输入单元中还包括滤波电容207，滤波电容207与单相整流桥202并联（即滤波电容207两极板分别连接单相整流桥202输出正极和输出负极），对脉动直流电进行滤波。优选地，触发电路包括稳压二极管205，稳压二极管205的导通触发可控硅204的控制极。更优选地，触发电路还包括与稳压二极管205串联的限流电阻206，用来对稳压二极管205导通时的电流进行限制。

下面将进一步结合图3的系统电压变化波形图来说明本发明的工作过程。图3中，T1时段为交流电源正常供电，单相整流桥将将交流电源（市电通常为单相50周交流电源）转换成脉动直流电。

脉动直流电的电压会有一定程度的波动。以市电为例，图3中，脉动直流电最大值A点电压为220V交流电压的最大值，通常为311V，脉动直流最小值C点电压，通常不小于240V；图3的示例中，直流输入单元由磷酸铁锂蓄电池串联组成，以单体电压3.2V/只计算，采用80节串联组成，蓄电池组通常为静置状态，端电压为256V左右，对应图3中B点。

当市电供电期间，脉动直流电压在曲线AB段时，可控硅阳极承受反向电压，处于阻断状态，输出电流全部由脉动直流电承担，即市电向负载供电；

当市电供电期间，脉动直流电压在曲线BC段时，可控硅阳极承受正向电压，但此时可控硅控制极串联有稳压二极管，由于稳压二极管的导通电压（由器件规格决定）大于BC段电压，可控硅控制极不能被触发导通，可控硅仍处于阻断状态，输出电流仍然全部由脉动直流电承担，即市电向负载供电；

T2时段市电供电掉电，脉动直流电压呈直线状态下降，由于滤波电容的存在实际情况可能如图3中虚线表示的斜线段。当电压迅速下降至图中D点时，可控硅阳极承受正向电压，可控硅控制极串联的稳压二极管两端的电压达到（或超过）了该稳压二极管的导通电压，稳压二极管导通，可控硅控制极被正向触发，从而使可控硅导通，输出电流全部由蓄电池组承担，实现了交流供电到直流供电的无延时切换。

可控硅一旦触发导通，在阳极正向电压的条件下，只要负载电流大于可控硅最小维持电流，可控硅将始终保持导通状态，即保持由后备蓄电池组向负载供电。

T3时段，当市电供电恢复时，脉动直流电压很快上升，当其电压波形再次出现如图3中AB段时，可控硅承受反向电压，瞬间由导通状态变回阻断状态，自动截止蓄电池组的直流输出，输出电流全部由脉动直流承担，即恢复到市电向负载供电，实现了直流供电到交流供电的无延时切换。

下面结合一个典型应用场景对本发明的实现做进一步的说明。在该应用场景中，某通信机房以一台机架为一供电系统，机架负载总功率不大于5KW，拟设置不间断电源，市电有电时，市电优先供电，市电掉电时，采用后备式磷酸铁锂蓄电池组供电，要求切换时间小于1毫秒。

系统设置基本如图2所示，交流输入单元中选择一个半导体整流桥，其额定电压选择大于600V，额定电流不小于40A；考虑现有IT设备输入回路通常已存在的电容器，交流输入单元中的滤波电容的总容量应设置为使得滤波电容两端电压不小于图3中C点的电压（即脉动直流电的最小电压）。

直流输入单元由磷酸铁锂蓄电池组采用80节串联组成，静置电压单体3.2V，总电压为256V，蓄电池组的容量选择，按照市电掉电后需要蓄电池组支撑时长确定。

输出控制单元中，可控硅额定电压选择不小于300V，额定电流选择不小于50A。电路连接如图2所示，稳压二极管额定电压的选择参考图3中C点与D点的电压值，而其导通电压（等于BD两点电压差值）应保证略大于BC两点电压差值，这样使得稳压二极管在脉动直流电正常电压波动范围内不会被误导通，而一旦掉电则迅速感应导通触发可控硅。限流电阻的选择兼顾稳压管工作的最大安全电流和可控硅控制极可靠触发导通的最小电流。系统工作过程如前文所述，在此不再重复描述。

与现有技术相比，本发明的技术方案采用少量的电子元件完成供电的主备切换，优先采用市电供电，比专用供电系统节省了能源；由于简化了电路结构，降低了故障率，提高了系统的可靠性，并节省投资，减少了运营费用。最后，通过合理的设置，本发明的系统切换时机的感应准确及时，实现了交直流供电的无延时切换，极大提升了系统安全性能。

虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。

Claims (4)

1.一种交直流供电无延时切换系统，其特征在于，所述系统包括：

交流输入单元、直流输入单元和输出控制单元；

所述交流输入单元包括交流电源和单相整流桥，所述直流输入单元包括蓄电池组，所述输出控制单元包括可控硅和触发电路；其中，

所述单相整流桥连接所述交流电源，将交流电转换成脉动直流电；

所述蓄电池组的负极与所述单相整流桥输出负极相连接，所述蓄电池组的正极与所述可控硅阳极相连接；

所述可控硅阴极与所述单相整流桥输出正极相连接，所述触发电路连接在所述可控硅阳极与控制极之间；

所述触发电路包括稳压二极管，还包括与所述稳压二极管串联的限流电阻；

所述限流电阻的电阻值使得所述稳压二极管导通时的电流大于可控硅控制极可靠触发导通的最小电流而小于稳压二极管工作的最大安全电流。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单相整流桥为半导体整流桥。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳压二极管的导通电压大于所述蓄电池组总电压与所述脉动直流电最小电压的差值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单相整流桥输出正极和输出负极连接负载进行供电。