CN104283441B - 一种直流电源及提供直流电源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电源尤其是母线电容的短路保护，公开了一种直流电源及提供直流电源的方法。该直流电源包括：联结到交流电源的整流电路，所述整流电路被设置用于产生直流输出；用于平滑整流电路的直流输出的电容滤波电路，所述电容滤波电路包含至少一个电容；用于监控至少一个所述电容滤波电路两端电压的短路检测单元，所述短路检测单元被设置用于产生取决于监控电压的故障信号；以及控制器，当故障信号暗示所述监控电压低于阈值时，所述控制器用于限制穿过电容滤波电路的电流。

Description

一种直流电源及提供直流电源的方法

技术领域

本发明涉及一种直流电源及提供直流电源的方法。

背景技术

在电源传输中，经常需要将交流电源转换成直流电源。实现此目的的电路称为整流电路。典型的整流电路包含一个或多个二极管以保证输出信号为恒定的极性。然后用电容滤波电路平滑输出信号以提供稳定的直流输出。

整流电路可以是单相的，也可以是多相的。国内使用的小功率整流电路通常是单相的，但是大功率的多相整流电路，尤其是三相整流电路，应用也很普遍。

在三相全桥整流电路中，设置有六个二极管。在串联的一对二极管中间传送每一相电源，产生的输出在一个周期包含六个脉冲。

已被建议，将整流电路与包含一组或多组并联电容的电路滤波电路结合。也就是说，每组电容串联联结但是组内多个电容并联设置。这能够确保当使用可用元件时可获得充足的电容去管理直流输出达到所需水平。

组内一个或多个电容失效将导致短路，即不通过组内剩余的电容。结果，电容滤波电路两端的电压将落到联结至整流电路的电容剩余组上。电容剩余组两端增高了的电压将最终导致故障，引起可能破坏整流电路的冲击电流。

为了减缓这个问题，常常设有熔断器。特别地，通常在交流电源三相输入端的每一相输入端设置一个熔断器，与串联联结到电容滤波电路的快速熔断器一起。当短路发生时，这些熔断器中的一个或多个由于增大的电流而爆掉以阻止损坏更多的有用元件，例如整流电路。

在许多情况下，使用的熔断器既价格贵又尺寸大。而且，合适熔断器的选择是苛刻的。如果熔断器容量太小，那么熔断器很容易爆掉，例如当大负载加在系统上时。另一方面，如果熔断器容量太大，那么它不可能为系统中的元件提供充足的保护。串联联结到电容滤波电路的快速熔断器在组合装置中也经常被应用，它也使故障事件后的维修复杂化。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种直流电源和提供直流电源的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种直流电源，包括：

联结到交流电源的整流电路，所述整流电路被设置用于产生直流输出；

用于平滑整流电路的直流输出的电容滤波电路，所述电容滤波电路包含至少一个电容；

用于监控至少一个所述电容滤波电路两端电压的短路检测单元，所述短路检测单元被设置用于产生取决于监控电压的故障信号；以及

控制器，当所述故障信号暗示所述监控电压低于阈值时，所述控制器用于限制穿过所述电容滤波电路的电流。

当电容滤波电路的元件失效时，本发明能够避免对电源其它特征的破坏，并且不需要依赖熔断器就能做到这些。这在大功率应用中尤其有用，因为合适熔断器的选择是困难的，并且这种熔断器既大又贵。本发明特别能够识别元件的短路，例如电容滤波电路中的电容，因为这会导致测量到的电容两端电压的减少。然后控制器能够限制通过电容滤波电路的电流，这减少了电容滤波电路中出现进一步故障的风险，意味着对电源中其它元件（如整流电路）的破坏变得不太可能。通过减少电容滤波电路的负载来实现。电容滤波电路上负载的减少意味着穿过电容滤波电路的电势差的减少。

在优选实施例中，电容滤波电路包括多个电容组，各个电容组之间串联连接，每个电容组包含一个或多个并联连接的电容。其中短路检测单元被设置用于监控一个或多个电容组两端的电压。每一组两端可得到一个直流输出。当一组中的一个电容短路时，整组会被短路因为它是并联结构。然而，电容滤波电路中的剩余组将需要承担全部电压，这将引起的电流冲击通过电源。如果任一电容的工作电压超过其额定值，那么直到整流电路和/或电容滤波电路的元件坏了后系统中的熔断器才跳闸。当检测到穿过任意一组的电压减少时，通过限制穿过电容组的电流，本发明能够避免上述问题。

在优选实施例中，每个电容组包含至少两个并联的电容。这在每一组和整个电容滤波电路中允许电容量的增大，从而提高了直流输出的平滑效果。

控制器能够限制电容滤波电路中的电流，在整流电路和电容滤波电路之间串联连接着一个电阻元件。该电阻元件可以是一个电阻器，但可选择地也可以是具有电阻特性的其它元件。在一个优选实施例中，所述电源进一步包括软启动电路，所述软启动电路包含并联连接的接触器和电阻，其中当故障信号暗示监控电压低于阈值时，调节所述控制器打开所述接触器。因此，当所述控制器识别到监控电压下降时，它将前述的旁路电阻实际引进电路中。软启动电路也能够限制电源启动期间的冲击电流，以避免当电容滤波电路内的电容最初充电时产生过电流。

附加地，或者可选择地，为了限制电容滤波电路的电流，引进电阻元件来承受原本由电容滤波电路负担的负载，通过减少或者断开从整流电路引出的交流电源信号，控制器可以限制通过电容滤波电路的电流。

在优选实施例中，所述短路检测单元包含一个或多个光耦。在本发明中，光耦特别合适，因为它们能够提供切换，因此当监控电压低于阈值时提供故障信号的明显区别。特别地，光耦内的光信号要么是现有的，要么不依赖外加电压，从而根据阈值进行切换。分压电路用于为电容组选择适当比例的电压，施加在光耦内的发光二极管上。如果施加在发光二极管上的电压是充足的，那么发光二极管将被打开，使接触器闭合，然而如果电压低于阈值，那么接触器将是打开的，修改短路保护单元的故障信号输出。

优选地，在所述短路检测单元的输出端联结故障滤波电路，所述故障滤波电路被设置用于移除故障信号的瞬态效应。因为施加到整流电路的电源信号是交流的，所以尽管电容滤波电路自身的平滑效果，穿过电容滤波电路的电压将还会包含随时间变化的幅度。为了避免这种瞬时效应导致控制器不必要地动作，在到达控制器之前使用故障滤波电路将这种瞬时效应从故障信号中过滤掉。滤波电路是现有技术，可能包括电容和电阻的合适选择。

优选地，所述整流电路是三相整流电路。就其本身而言，整流电路被用于处理三相交流电源信号。这种信号尤其适合用于运载工业生产过程所需要的大电压。此外，整流电路优选是全波整流电路，从而确保电源信号内的大部分能量不丢失。

根据本发明的第二方面，提供了一种提供直流电源的方法，包括：

整流交流信号以提供直流输出；

使用电容滤波电路平滑所述直流输出，所述电容滤波电路包含至少一个电容；

监控至少一个所述电容滤波电路两端的电压，根据监控电压产生故障信号；以及

当所述故障信号暗示所述监控电压低于阈值时，限制穿过所述电容滤波电路的电流。

像第一方面一样，第二方面的方法允许电容滤波电路中错误的评估，不需要熔断器允许采取相应的措施。第一方面的优选特征同样也适用于第二方面。

附图说明

参考附图本发明的实施例将被描述如下：

图1是现有技术的直流电源示意图，其包含整流电路、软启动电路和电容滤波电路；

图2是根据本发明第一优选实施例的直流电源示意图；

图3是根据本发明第二优选实施例的直流电源示意图；

图4是根据本发明第三优选实施例的直流电源示意图；

图5是根据本发明第四优选实施例的直流电源示意图；

图6是根据本发明第五优选实施例的直流电源示意图；以及

图7是根据本发明第六优选实施例的直流电源示意图。

具体实施方式

图1示出了典型的直流电源100。电源100包括三相全桥整流电路110，软启动电路120和电容滤波电路130。三相全桥整流电路110设有交流电源信号，从电容滤波电路130获得直流输出电源。软启动电路120用于控制直流电源100的启动。

三相全桥整流电路110包含三个输入电源联结端L1，L2，L3。每个电源联结端L1，L2，L3用相对相位补偿接收交流电源。整流电路110进一步包括联结到每一电源联结端L1，L2，L3的电源熔断器F1，F2，F3。整流电路110进一步还包括一组二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6。

整流电路110将电源联结端L1，L2，L3接收到的三相交流电源转换成直流输出，因为二极管D1，D2，D3，D4，D5，D6只能通过一种极性的电流。

软启动电路120用于在直流产生电路100启动时阻止太大的电流。软启动电路包含电阻R3和接触器S1。在启动那一时刻，接触器S1处于打开位置，因此使电流通过电阻R3，限制了冲击电流。一段时间后，接触器S1闭合，因此使电阻R3短路，避免了不必要的能量损失。当直流产生电路启动时，这一操作阻止了电流过度激增，因为在电容滤波电路130启动后电阻R1被旁路了。

电容滤波电路130包含电容C1，C2，C3，C4。这些电容被设置如下：电容C1和C3为第一并联组，C2和C4为第二并联组，每一组之间串行连接。

电容C1，C2，C3，C4平滑从整流电路110接收的直流信号，以提供相对恒定电位差的直流输出。软启动电路120用于当电容C1，C2，C3，C4最初充电时降低冲击电流。

电容滤波电路130也包含一个快速熔断器F4。如果发生故障，该快速熔断器F4用作保护电容滤波电路的其它元件。

一种故障情况是，电容C1，C2，C3，C4中的一个处于短路。在这种情况下，短路电容所在组内的其它电容将被旁路。例如，如果电容C1处于短路，那么电容C3被旁路。这使剩余的电容组承受整流电路110的全部电压输出。例如，如果电容C1处于短路，那么该全部电压将被施加在电容C2和电容C4两端。

电容C2和电容C4两端的全部电压超出了它们的额定电压，因此将会产生热量，最终导致电容C2和C4坏掉。这会引起可能损坏系统中其它元件的大电流，特别是三相全桥整流电路110。熔断器F1，F2，F3，F4设置用于降低这种损坏的风险，因为它们会先于系统的其它元件爆炸。

图2示出了本发明的第一优选实施例。此外，也示出了直流电源200。直流电源200包括三相整流电路210、软启动电路220，以及电容滤波电路230，这些电路的结构和运行与图1所示的三相整流电路210、软启动电路220、以及电容滤波电路230相应相同。

在图2所示的优选实施例中，在L1，L2，L3提供的交流电源可以是三相380V电源。每个电容C1，C2，C3，C4具有2200uF的额定值或者其它额定值。

第一优选实施例的直流电源200进一步包括短路检测单元240、故障滤波电路250、和控制器260。

短路检测单元240包括联结至第一电容组C1，C3的第一短路检测部分和联结至第二电容组C2，C4的第二短路检测部分。每一检测部分包括第一电阻R9，R11和第二电阻R8，R10。第一电阻R9，R11和第二电阻R8，R10穿过每一电容组相互串联联结。这样，第一短路检测部分的第一电阻R9和第二电阻R8执行分压器的角色，其负责分配穿过第一组电容C1，C3的电压。同样地，第二短路检测部分的第一电阻R11和第二电阻R10执行分压器的角色，其负责分配第二组电容C2，C4两端的电压。

短路检测单元240也包括第一光耦U1和第二光耦U2。第一光耦U1设置在第一检测部分的第二电阻R8两端，而第二光耦U2设置在第二检测部分的第二电阻R10两端。

光耦U1，U2包含一个LED（发光二极管），当施加的电压Vmin等于或者高于阈值电压时，LED产生亮光。光耦U1，U2进一步包含一个传感器，例如对LED所发亮光敏感的光电晶体管。所述传感器联结至第一输出端B和第二输出端C。当该传感器检测到来自LED的亮光时，它在第一输出端B与第二输出端C之间保持导通。

在图2所示的例子中，第一电阻R9，R11具有100k的阻抗，而第二电阻R8，R10具有1k的阻抗。此外，光耦U1，U2的Vmin是1V。因此，为了使与光耦相联的LED发光，第一组电容C1，C3或者第二组电容C2，C4两端所需的最小电压是101V（例如C1两端的所需电压=VC1=(R9/R8+1)*Vmin=(100/1+1)*1=101）。

因此，如果电容C1，C2，C3，C4两端的电压降到阈值101V以下，那么相联的光耦U1，U2将在端B和端C之间停止导通。在正常情况下，每个电容C1，C2，C3，C4两端的电压是恒定的，但是当其中一个电容由于故障短路时电压会很快下降，这种变化能被端B和C的连接状态反映。

电容滤波电路240提供故障信号，其依据两个光耦U1，U2上的B-C连接是否到位而不同。故障信号在到达控制器260之前可以被处理。特别地，在图2所示的优选实施例中，在到达控制器260之前，故障信号被故障滤波电路250处理。

故障滤波电路包含晶体管Q1和电阻R1，R2，R7，R14。故障滤波电路250进一步包含电容C8。

电阻R7设置用于通过来自光耦U1，U2的漏电流。电阻R4与电容C8的组合提供了一个滤波网络以避免由于系统瞬态效应带来的噪声信号。也就是说，在到达CapFault前故障信号内的瞬态效应会被过滤掉。当任一光耦U1，U2的端B-C开着时，电阻R1确保晶体管Q1保持在关闭状态。

在正常情况下，电容C1，C2，C3，C4两端的电压高于阈值Vmin101V，光耦会关闭。结果，每个光耦U1，U2的端B-C保持导通耦合。晶体管Q1因此在开状态，电流经由晶体管Q1通过电阻R2。因此，在CapFault故障信号的测量值是高电平。

当故障发生时，至少一个电容C1，C2，C3，C4短路，意味着其中一个光耦U1，U2两端的电压大大减少。继而这使那个光耦的端B-C不连通（即在此处电路是开着的）。结果，晶体管Q1在关闭状态，因此没有电流流过R2，在CapFault故障信号为低电平。

同样，如果在CapFault故障信号为低电平，那么认为电容滤波电路230中缺少至少一个电容C1，C2，C3，C4。因此，系统进一步包含控制器260，当在CapFault检测到低电平时，控制器执行打开软启动电路里接触器S1的操作。因此，现在电流必须通过电阻R3，从而从系统剩余电容C1，C2，C3，C4中占据了大部分负荷，并且限制了可能毁坏整流电路210的大电流。在这种情况下，控制器260可以附加或者可选择地切断电源联结端L1，L2，L3的电源。

同样，当电容C1，C2，C3，C4出故障时，不必依赖熔断器F1，F2，F3，F4来阻止对元件的破坏，它们没有爆炸。而且，不需要为从故障中恢复而替换熔断器。此外，单个电容C3的故障会被立即识别，然而依赖熔断器F1，F2，F3，F4，重要电流可能仅在进一步电容出故障后产生，从而缩短了通过整个电容滤波电路230的连接。因此，采用的方法能够减少故障情况下损坏元件的数量。

以上所述系统的各种变化和变型都是可行的。例如，代替地或者除提供软启动电路220之外，可以提供直接可控的整流电路210。包含半控整流电路210的第二优选实施例如图3所示。

在第二优选实施例中，不存在软启动电路220。代替地，控制受到晶体闸流管D1，D3，D5的影响，晶体闸流管D1，D3，D5代替第一优选实施例中的等效二极管。晶体闸流管又被称为硅可控整流器（SCRs）。从整流电路210发出的整流信号的控制受到与每一晶体闸流管D1，D3，D5相联的发射角的控制的影响。

在第三优选实施例中，整流电路210是全控整流电路210。在这种情况下，所有二极管，D1，D2，D3，D4，D5，D6被晶体闸流管取代。此外，通过改变晶体闸流管的发射角使控制受到影响。这种电路的一个例子显示在图4中。

应该认识到，用于检测电容滤波电路230中电容C1，C2，C3，C4两端电压的代替装置也可以被采纳或者附加在光耦U1，U2上。图5示出了进一步的优选实施例，其中为每一电容组设置电压采样电路245。在这个实施例中，当电容两端的电压降到100V以下时，电压采样电路245被设置来改变输出信号。这些会在CapFault引起可识别的变化。

上述优选实施例包含故障滤波电路250。然而，在一些环境下，这种电路可以不被需要或不被优选。因此进一步的实施例显示在图6中，CapFault信号直接从光耦U1，U2取回而不通过滤波电路。

如上所述，当检测到故障时在电源端L1，L2，L3可以切换电源。图7显示了进一步的实施例，其中在邻近电源端L1，L2，L3设置接触器，以便当检测到故障时切断电源。

对本领域技术人员而言，其它变化和变型是显而易见的。这种变化和变型涉及等价物和其它特征，它们是已知的并被替换使用的，或者附加在在此描述的特征上。在不同实施例中描述的特征可以在单个实施例里组合提供。相反地，描述在单个实施例里的特征也可以分别提供或者以任何适当的小组合提供。例如，图3和图4所示半控或者全控整流电路210的使用不局限于使用光耦U1，U2或者故障滤波电路250的实施例。同样地，附加特征也可以合并入每一个所述的实施例，诸如电阻或电容这些参数的给定具体值不受限制。

应当注意，术语“包括”不排除其它元素或者步骤，术语“一个”不排除多数，单个特征可以履行权利要求述及的几个特征的功能，权利要求中的标号不被解释为限制权利要求的范围。也应当注意，图形不必按规定比例，反而重点通常放在阐述本发明的原理上。

Claims (9)

1.一种直流电源，其特征在于，包括：

联结到交流电源的整流电路，所述整流电路被设置用于产生直流输出；

用于平滑整流电路的直流输出的电容滤波电路，其中，所述电容滤波电路包括多个电容组，所述多个电容组中的每个电容组串联连接并且包含两个或更多个并联连接的电容；

用于监控所述多个电容组中的每一个电容组两端电压的短路检测单元，所述短路检测单元被设置用于产生取决于监控电压的故障信号；以及

控制器，当所述故障信号暗示所述监控电压的电压低于阈值时，所述控制器用于限制穿过所述电容滤波电路的电流。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电源包括软启动电路，所述软启动电路包含并联连接的接触器和电阻，其中当所述故障信号暗示监控电压的电压低于阈值时，调节所述控制器打开所述接触器。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述短路检测单元包含一个或多个光耦。

4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，所述电源包括联结至所述短路检测单元输出端的故障滤波电路，所述故障滤波电路被设置用于移除故障信号的瞬态效应。

5.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述整流电路是三相整流电路。

6.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述整流电路是全波整流电路。

7.一种提供直流电源的方法，其特征在于，包括：

整流交流信号以提供直流输出；

使用电容滤波电路平滑所述直流输出，所述电容滤波电路包括多个电容组，所述多个电容组中的每个电容组串联连接并且包含两个或更多个并联连接的电容；

监控所述多个电容组中的每一个电容组两端的电压，根据监控电压产生故障信号；以及

当所述故障信号暗示所述监控电压的电压低于阈值时，限制穿过所述电容滤波电路的电流。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述故障信号暗示所述监控电压的电压低于阈值时，限制穿过所述电容滤波电路的电流，包括打开接触器，软启动电路包含并联连接的接触器和电阻。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括过滤所述故障信号以降低瞬态效应的影响。