CN106936123B - 一种供电设备的保护装置及不间断电源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种供电设备的保护装置及不间断电源，保护装置用于对供电设备进行防雷保护。其中保护装置包括：整流电路，将交流电源输出的交流电整流为直流电输出；箝位电路包括第一开关器件和第二开关器件；整流电路的正输出端通过第一开关器件连接供电设备的正母线，整流电路的负输出端通过第二开关器件连接供电设备的负母线；直流母线电容包括第一电容和第二电容；第一电容的第一端连接正母线，第一电容的第二端接地；第二电容的第一端接地，第二电容的第二端连接负母线。当交流电源的输入端口存在异常浪涌冲击时，将异常浪涌冲击的能量泄放到直流母线电容，将输入端口的电压箝位到直流母线电容上的电压，降低输入端口残压。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种供电设备的保护装置及不间断电源。
背景技术
随着大数据时代的到来，金融和互联网行业对于设备不间断供电的需求越来越强烈。因此，不间断电源(UPS，Uninterruptible Power System)在供电环节的地位越来越重要。这些行业的用电设备对于UPS的可靠性要求也越来越高。
例如，来源于雷电感应或对线路的直接侵袭或雷电时地电位的反击，或现场重型负载切换导致的操作过电压，或者恶劣电网环境等，以上这些因素均会对UPS产生浪涌和冲击电流。
现有技术中，UPS的防雷方式一般采用压敏电阻(MOV，Metal Oxide Varistor)和气体放电管(GDT，Gas Discharge Tube)的组合方式，降低UPS输入端口的残压，使UPS具有防雷能力。
参见图1，该图为现有技术中UPS的防雷装置示意图。
在UPS的输入端口，设有MOV和GDT构成的防雷电路。利用MOV和GDT的器件特性，当UPS的输入端口的电压达到一定值时，MOV和GDT会动作，将线路中的能量泄放，从而达到防雷保护的作用。如图1中，在三相交流电的每相(A、B和C)与地之间连接一个MOV，在N线与地之间连接一个GDT。MOV的作用是将MOV两端的电压进行箝位，而GDT的作用是放电导通，使电流泄放到地。
但是，MOV和GDT等器件均具有一定使用次数的限制。例如，当MOV发生老化，或者多次冲击受损之后，或者遭受冲击的能量巨大，均有可能导致MOV失效甚至着火，存在一定的风险。
因此，现有技术中为UPS提供的这种防雷保护装置不太可靠。
申请内容
本申请提供了一种供电设备的保护装置及不间断电源，能够起到防雷保护的作用，而且提高了整个系统的可靠性。
第一方面，提供一种供电设备的保护装置，包括：整流电路、箝位电路和直流母线电容；
所述整流电路的输入端连接交流电源；
所述整流电路，用于将所述交流电源输出的交流电整流为直流电输出；
所述箝位电路包括第一开关器件和第二开关器件；所述整流电路的正输出端通过所述第一开关器件连接供电设备的正母线，所述整流电路的负输出端通过所述第二开关器件连接供电设备的负母线；
所述直流母线电容包括第一电容和第二电容；所述第一电容的第一端连接所述正母线，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端连接所述负母线。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，还包括：第一电压检测电路和控制器；
所述第一电压检测电路，用于检测所述交流电源的交流输出电压，将所述交流输出电压发送给所述控制器；
所述控制器，用于判断所述交流输出电压超过所述供电设备预设的输入电压范围时，控制所述第一开关器件和第二开关器件均断开；并控制蓄电池为所述供电设备供电。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第二种可能的实现方式中，还包括：第二电压检测电路；
所述第二电压检测电路，用于检测所述交流电源的交流输出电压，将所述交流输出电压发送给所述控制器；
所述控制器，用于判断所述交流输出电压中存在尖峰毛刺电压大于母线过压保护电压且持续时间超过预设时间时，控制所述第一开关器件和第二开关器件均断开。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第三种可能的实现方式中，所述箝位电路还包括：第一热敏电阻和第二热敏电阻；
所述第一热敏电阻与所述第一开关器件串联后连接在所述整流电路的正输出端和所述正母线之间；
所述第二热敏电阻与所述第二开关器件串联后连接在所述整流电路的负输出端和所述负母线之间；
所述第一热敏电阻和第二热敏电阻均为正温度系数的热敏电阻。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第四种可能的实现方式中，所述箝位电路还包括：第一保险丝和第二保险丝；
所述第一保险丝、所述第一热敏电阻和所述第一开关器件串联后连接在所述整流电路的正输出端和所述正母线之间；
所述第二保险丝、所述第二热敏电阻和所述第二开关器件串联后连接在所述整流电路的负输出端和所述负母线之间。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第五种可能的实现方式中，所述供电设备为不间断电源；
所述整流电路为不间断电源主拓扑中的整流电路或不间断电源中辅助电源对应的整流电路；
所述直流母线电容为不间断电源中的直流母线电容。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第六种可能的实现方式中，所述控制器，还用于在所述供电设备连接所述交流电源前控制所述第一开关器件和第二开关器件断开；当所述不间断电源连接的交流电源正常工作时，判断所述正母线和负母线的电压软启动以后，控制所述第一开关器件和第二开关器件闭合。
结合第一方面及上述任一种可能的实现方式中，在第七种可能的实现方式中，所述第一开关器件和第二开关器件为以下中的任意一种：
继电器、绝缘栅型场效应管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅。
第二方面，提供一种不间断电源，包括所述的保护装置，还包括蓄电池，当所述保护装置断开交流电源与直流母线电容的连接时，所述蓄电池为用电设备供电。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
由于供电设备自身存在直流母线电容，并且直流母线电容的容量很大。当交流电源的输入端口存在异常浪涌冲击时，通过箝位电路将异常浪涌冲击的能量泄放到直流母线电容中，这样可以将输入端口的电压箝位到直流母线电容上的电压，从而降低输入端口的残压，保护供电设备。由于该保护装置直接利用供电设备已有的直流母线电容，从而节省了硬件成本。另外，当输入端口长时间遭受异常冲击时，可以控制箝位电路中的开关器件断开，提高供电设备的可靠性，避免供电设备宕机。
附图说明
图1现有技术中UPS的防雷装置示意图；
图2是本申请实施例提供的供电设备的保护装置的一种示意图；
图3是本申请实施例提供的保护装置的一种电路图；
图4是本申请实施例提供的保护装置的另一种示意图；
图5是本申请实施例提供的保护装置的又一种示意图；
图6是本申请实施例提供的UPS的示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种供电设备的保护装置，用于对供电设备实现防雷保护。可以理解的是，本申请实施例中的供电设备可以为多种，不局限于UPS。例如，还可以为光伏供电设备。
参见图2，该图为本申请实施例提供的供电设备的保护装置的一种示意图。
本实施例提供的供电设备的保护装置，包括：整流电路100、箝位电路200和直流母线电容300；
所述整流电路100的输入端连接交流电源AC；
其中，交流电源AC可以为三相交流电。
所述整流电路100，用于将所述交流电源输出的交流电整流为直流电输出；
由于供电设备400侧的母线电容为直流母线电容，因此，需要将交流电整流为直流电。整流电路100可以为三相桥式整流电路。
所述箝位电路200包括第一开关器件和第二开关器件；所述整流电路100的正输出端通过所述第一开关器件连接供电设备400的正母线，所述整流电路100的负输出端通过所述第二开关器件连接供电设备400的负母线；
可以理解的是，正母线和负母线均需要连接开关器件，其中，第一开关器件是为了断开交流电源遭受雷击产生的正高压，第二开关器件是为了断开交流电源遭受雷击产生的负高压。第一开关器件和第二开关器件都存在，才可以更完善地保护供电设备不受雷击。
所述第一开关器件和第二开关器件为以下中的任意一种：
继电器、绝缘栅型场效应管(MOS，metal oxide semiconductor)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)管和可控硅(SCR，Silicon ControlledRectifier)。
需要说明的是，本实施例中的箝位电路包括可控的开关器件，是为了当交流电源的输入端口持续遭受异常冲击时，控制第一开关器件和第二开关器件断开，从而避免供电设备宕机，提高供电设备的可靠性。
所述直流母线电容300包括第一电容C1和第二电容C2；所述第一电容C1的第一端连接所述正母线，所述第一电容C1的第二端接地；所述第二电容C2的第一端接地，所述第二电容C2的第二端连接所述负母线。
由于供电设备400自身存在直流母线电容，并且直流母线电容的容量很大。当交流电源的输入端口存在异常浪涌冲击时，通过箝位电路将异常浪涌冲击的能量泄放到直流母线电容中，这样可以将输入端口的电压箝位到直流母线电容上的电压，从而降低输入端口的残压，保护供电设备。由于该保护装置直接利用供电设备已有的直流母线电容，从而节省了硬件成本。另外，当输入端口长时间遭受异常冲击时，可以控制箝位电路中的开关器件断开，提高供电设备的可靠性，避免供电设备宕机。可以有效代替MOV器件，避免MOV失效着火风险，提升了系统的可靠性。
需要说明的是，由于雷电产生的异常浪涌冲击一般时间很短为us级，无法检测到，通过以上实施例提供的箝位电路，可以将雷电产生的能量泄放到直流母线电容中，从而保护供电设备。
本申请实施例提供的保护装置的一种具体电路图可以参见图3所示。
下面以供电设备为UPS为例进行介绍。
图3中的交流电源可以为三相交流电A、B和C。
整流电路100可以是由图3中的六个二极管D1-D6组成的桥式整流电路。
当供电设备为UPS时，所述整流电路100可以UPS主拓扑中的整流电路或UPS中辅助电源对应的整流电路；这样可以节省硬件成本。
可以理解的是，UPS主拓扑指的是为用电设备供电的拓扑。UPS中辅助电源指的是UPS中为控制电路供电的电源。
所述直流母线电容300(如图3中的C1和C2)为不间断电源中的直流母线电容。同理，正母线BUS+和负母线BUS-也分别是UPS中的正母线和负母线。
除了以上由于雷电引起的异常浪涌冲击以外，交流电源所在的供电电网也可能出现异常，例如，可能出现异常高压，这时需要切断交流电源与用电设备的连接，而改为供电设备中的电池供电。需要说明的是，异常高压是一ms级的，其持续时间是按照工频周期来考量的一个高压，而雷电产生的电压电流冲击一般是一个us级的冲击，不会是一个持续冲击。
参见图4，该图为本申请实施例提供的保护装置的另一种示意图。
本实施例提供的保护装置，还可以包括：第一电压检测电路10和控制器30；具体可以参见图4所示。
所述第一电压检测电路10，用于检测所述交流电源AC的交流输出电压，当所述交流输出电压或超过所述供电设备预设的输入电压范围时，所述控制器30控制所述第一开关器件S1和第二开关器件S2均断开；由供电设备中的蓄电池进行供电。
可以理解的是，UPS具有规定的输入电压范围，当输入电压超过UPS规定的输入电压范围时，则转为蓄电池进行供电。而转为蓄电池供电就必须断开S1和S2。即断开直流母线与交流电源的连接，避免由于交流电的高压把母线灌高而导致整个UPS宕机。
另外，为了避免回路中出现过流时对器件造成损坏，也设置了保险丝。继续参见图4，所述箝位电路还包括：第一保险丝F1和第二保险丝F2；
所述第一保险丝F1和所述第一开关器件S1串联后连接在所述整流电路100的正输出端和所述正母线BUS+之间；
所述第二保险丝F2和所述第二开关器件S2串联后连接在所述整流电路100的负输出端和所述负母线BUS-之间。
可以理解的是，当电路中电流太大时，保险丝F1和F2会熔断，断开回路，从而起到保护作用。
另外，供电电网除了出现异常高压以外，还可能出现持续尖峰毛刺，如果持续尖峰毛刺出现的时间超过了预定时间段，则需要采取保护措施。本实施例中提供两种保护措施，一种是通过热敏电阻来切断与交流电源的连接，另一种是通过控制开关器件断开来切断与交流电源的连接。这两种是并列的实现方式，当没有热敏电阻时，可以控制开关器件断开。当有热敏电阻时，则不需要控制开关器件断开，因为热敏电阻会随着电压的升高阻值也会升高，从而相当于断路。下面先介绍第一种，没有热敏电阻时的情况。
继续参见图4，本实施例提供的保护装置，还包括：第二电压检测电路20；
所述第二电压检测电路20，用于检测所述交流电源的交流输出电压，将所述交流输出电压发送给所述控制器30；
所述控制器30，用于判断所述交流输出电压中存在尖峰毛刺电压且持续时间超过预设时间时，控制所述第一开关器件S1和第二开关器件S2均断开。
需要说明的是，交流输出电压中存在尖峰毛刺电压指的是在交流电压中叠加了尖峰毛刺电压。判断交流输出电压中是否存在尖峰毛刺电压需要与母线过压保护电压进行比较，当超过母线过压保护电压时且持续时间超过预设时间时，则控制S1和S2断开。其中预设时间可以为N个电网电压周期。N为预设的周期个数。
下面介绍第二种，存在热敏电阻时的情况。
参见图5，本实施例提供的保护装置，所述箝位电路还包括：第一热敏电阻R1和第二热敏电阻R2；
所述第一热敏电阻R1与所述第一开关器件S1串联后连接在所述整流电路100的正输出端和所述正母线BUS+之间；
所述第二热敏电阻R2与所述第二开关器件S2串联后连接在所述整流电路100的负输出端和所述负母线BUS-之间。
另外，当箝位电路包括第一保险丝F1和第二保险丝F2时，所述第一保险丝F1、所述第一热敏电阻R1和所述第一开关器件S1串联后连接在所述整流电路100的正输出端和所述正母线BUS+之间；
所述第二保险丝F2、所述第二热敏电阻R2和所述第二开关器件S2串联后连接在所述整流电路100的负输出端和所述负母线BUS-之间。
可以理解的是，R1和R2采用正温度系数热敏电阻，即随着温度的升高，热敏电阻呈现的阻值越大。当存在的持续尖峰毛刺高于母线过压保护电压时，随着温度的逐渐升高，则R1和R2呈现的阻值越来越大，回路中维持很小的电流，这样可以有效保证回路中各个器件的散热效果。
另外，为了避免交流电源接入时对于母线造成的影响，可以在母线电压软启之后，才闭合S1和S2。即控制器30，还用于所述交流电源接入前控制所述第一开关器件S1和第二开关器件S2断开，当所述不间断电源连接的交流电源正常工作时，判断所述正母线和负母线的电压软启动以后，控制所述第一开关器件S1和第二开关器件S2闭合。
本实施例通过S1和S2可以实现箝位电路的可控性，当电网出现持续的异常高压时，断开S1和S2，改为蓄电池供电。当电网出现持续尖峰毛刺超过母线过压保护电压时，R1和R2动作，实现保护。当回路出现过电流时，F1和F2动作，实现保护。该保护装置替代了MOV，避免MOV带来的风险，从而提供了系统的可靠性。
基于以上实施例提供的供电设备的保护装置，本申请实施例还提供了一种UPS，包括以上实施例提供的保护装置。
为了更好地理解以上实施例提供的保护装置在UPS中的使用，下面介绍UPS的工作原理，下面结合图6进行简单的说明。
参见图6，该图为本申请实施例提供的UPS的示意图。
UPS一般包括整流电路100(此时假设保护装置中的整流电路使用UPS主拓扑中的整流电路)、直流母线电容200、逆变电路301、第一DC-DC变换器302、第二DC-DC变换器303和蓄电池304。
本实施例提供的UPS与现有技术的区别是增加了箝位电路200，即本实施例中的保护装置共用了UPS中的整流电路100和直流母线电容300。
所述整流电路100的输出端连接所述逆变电路301，所述逆变电路301的输出连接用电设备；所述第一DC-DC变换器302的输入端连接所述整流电路100的输出端，所述第一DC-DC变换器302的输出端连接所述蓄电池304；所述蓄电池304连接所述第二DC-DC变换器303的输入端，所述第二DC-DC变换器303的输出端连接所述逆变电路301的输入端。
当所述交流电源正常供电时，所述交流电源依次通过所述整流电路100、箝位电路200和逆变电路301为用电设备供电；同时所述交流电源通过所述整流电路100和第一DC-DC变换器302为所述蓄电池304充电；
当所述交流电源异常时，所述蓄电池304通过所述第二DC-DC变换器303和逆变电路301为所述用电设备供电。
从图6中可以看出，本实施例中为UPS提供的保护装置仅增加了箝位电路200，整流电路100和直流母线电容可以利用UPS中已有的器件实现，节省了硬件成本，实现方便简单。当交流端口出现异常时，保护装置可以起到保护作用，从而保护UPS。
可以理解的是，保护装置也可以单独设置一个整流电路，即不使用UPS中的整流电路，但是，这样会增加系统的体积，也会增加硬件成本。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改；而这些修改，并不使相应技术方案的脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种供电设备的保护装置，其特征在于，包括：整流电路、箝位电路、直流母线电容、第一电压检测电路、第二电压检测电路和控制器，所述箝位电路包括第一开关器件和第二开关器件；
所述整流电路的输入端连接交流电源；
所述整流电路，用于将所述交流电源输出的交流电整流为直流电输出；
所述控制器，用于当所述交流电源的输入端口存在异常浪涌冲击时，控制所述第一开关器件和所述第二开关器件断开，将所述供电设备的输入端口的电压箝位到所述直流母线电容上的电压；
所述整流电路的正输出端通过所述第一开关器件连接供电设备的正母线，所述整流电路的负输出端通过所述第二开关器件连接供电设备的负母线；
所述直流母线电容包括第一电容和第二电容；所述第一电容的第一端连接所述正母线，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端连接所述负母线；
所述第一电压检测电路，用于检测所述交流电源的交流输出电压，将所述交流输出电压发送给所述控制器；
所述控制器，还用于判断所述交流输出电压超过所述供电设备预设的输入电压范围时，控制所述第一开关器件和第二开关器件均断开，并控制所述供电设备的蓄电池进行供电；
所述第二电压检测电路，用于检测所述交流电源的交流输出电压，将所述交流输出电压发送给所述控制器；
所述控制器，还用于判断所述交流输出电压中存在尖峰毛刺电压大于母线过压保护电压且持续时间超过预设时间时，控制所述第一开关器件和第二开关器件均断开；
所述控制器，还用于在所述供电设备连接所述交流电源前控制所述第一开关器件和第二开关器件断开；当不间断电源连接的交流电源正常工作时，判断所述正母线和负母线的电压软启动以后，控制所述第一开关器件和所述第二开关器件闭合。
2.根据权利要求1所述的供电设备的保护装置，其特征在于，所述箝位电路还包括：第一热敏电阻和第二热敏电阻；
所述第一热敏电阻与所述第一开关器件串联后连接在所述整流电路的正输出端和所述正母线之间；
所述第二热敏电阻与所述第二开关器件串联后连接在所述整流电路的负输出端和所述负母线之间；
所述第一热敏电阻和第二热敏电阻均为正温度系数的热敏电阻。
3.根据权利要求2所述的供电设备的保护装置，其特征在于，所述箝位电路还包括：第一保险丝和第二保险丝；
所述第一保险丝、所述第一热敏电阻和所述第一开关器件串联后连接在所述整流电路的正输出端和所述正母线之间；
所述第二保险丝、所述第二热敏电阻和所述第二开关器件串联后连接在所述整流电路的负输出端和所述负母线之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的供电设备的保护装置，其特征在于，所述供电设备为不间断电源；
所述整流电路为不间断电源主拓扑中的整流电路或不间断电源中辅助电源对应的整流电路；
所述直流母线电容为不间断电源中的直流母线电容。
5.根据权利要求1所述的供电设备的保护装置，其特征在于，所述第一开关器件和第二开关器件为以下中的任意一种：
继电器、绝缘栅型场效应管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅。
6.一种不间断电源，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的保护装置，还包括蓄电池，当所述保护装置断开交流电源与直流母线电容的连接时，所述蓄电池为用电设备供电。
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