CN1077735C - 用于对电源输出端上的直流电压进行缓冲的装置 - Google Patents

用于对电源输出端上的直流电压进行缓冲的装置 Download PDF

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Abstract

一种用于缓冲电源输出端上直流电压的装置，其具有至少一个缓冲电池(BATT)，尤其是一个由电源(SV)充电的蓄电池，和一个控制单元(CU)。当直流电压(Ua)实际值小于预定最小值(Uamin)时，该控制单元将缓冲电池接通，产生一个预定的缓冲周期(tm)并在此周期过后又周期地将缓冲电池断开。本发明的装置的优点在于，不需要付出大的代价即可以有效地识别出电源输出直流电压的复原。由于对用电器重要的电源输出直流电压受到监测，故在馈送的输入电压断电时以及在电源断电时将对用电器继续供电。该装置可附加后置于电源，而不必改变电源的结构。该装置的另外的一个优点是；甚至在短路造成电源输出直流电压故障时，只要用电器电压低于最小值时，该装置自动将作为辅助电源的电池接通。故本发明实现了在大多数故障情况下对输出直流电压准迅捷的检定和支持。

Description

用于对电源输出端上的直流电压进行缓冲的装置
在由电网对用电器供电时，通常对供电电网短时间断电的情况要采取防护措施。该电网一般系指交流电网，但也可以是直流电网。
当电源网断电或其电压降低到一定值以下时，通常由一专用的检定装置在电源输入端上对此识别出并进行通告。接着该检定装置通过一个继电器或一个半导体开关将电池与用电器接通。一旦供电网又重新恢复到一定的电压值时，开关又被断开。另外，常常要对电源进行设计，使该电源提供一个与其输入端处的供电网安全分隔的输出直流电压。当电网系400V或230V交流电压网时，尤其是此情况。其中需要电源输出一个24V的根据EN(欧洲标准)60950的所谓的SELV(安全超低压)-直流电压。
在此情况时，用于对电网输入侧的电压进行监测的检定装置同样必须满足安全分隔的要求。由于为此所需的空气间隙和漏电距离将导致成本增高且占用空间加大，而且需要相应昂贵的器件，因而是不利的。
在电源输入侧对馈送的电网电压进行直接检测的另外一个缺点是，在电源本身中断时电池并不会接通，这是因为检测装置基于电网电压并未发生变化而不能识别故障情况。电源由于要承受的电流、电压和温度的负荷很大，因而属于承载特别高的设备并且因此通常其失效要早于大多由其供电的用电器。因此如果例如初级三极管的控制失效，如果电源暂时没有起动或如果在初级或次级回路中任何一个器件或连接开路，则这种装置是识别不出来的。仅在特别严重的情况下，即当电源由于初级短路失效并因此导致前置的微型自动开关将馈电电网分隔开时，才会将电池接通。
另一个问题是，许多在直流侧的诸如白炽灯、直流/直流变换器、电容器、直流电动机、带有直流经济绕组的继电器开关等用电器例如在接通时需要大的起动电流。有些电源在过载时立刻断开。由于会出现用电器电源瞬间完全中断的现象，因而这是很不利的。其它的电流源具有自动限流功能，因此将使根据欧姆定律U＝R负载×I限流的输出电压完全崩溃。在此情况下，在由大的起动电流造成的压降时段内对用电器不利地采用不允许的低电压供电。
与电网输入电压无关的电源输出直流电压的恢复在已知电路中可以由一个二极管识别出，该二极管接在位于电源和用电器间的载有正电位的输出线路上。在该二极管的负极上加有用电器电压，该用电器电压在断开电池时例如为电源的输出直流电压24V减去二极管V1的导通电压，而在接通电池时则为电池电压。在二极管的正极可以检测出电源的实际输出直流电压。在电源没有电压输出时，则在二极管正极上的电压几乎为0伏。由此可以产生一个控制信号，该信号将保持电池的接通。当加在正极上的电压增高超过预定值时，电池又与用电器断开，从而避免了电池不必要的放电。因此在稳定的情况下，二极管可以可靠地识别，加在用电器上的直流电压是由电源还是由电池提供的。采用这种二极管的缺点是，将产生使输出直流电压降低1V的压降、大的功率损耗并且因采用大的冷却体，因而将增大占用空间。
故本发明的目的在于提出一种对电源输出端上的直流电压进行缓冲的多功能装置，一方面对该装置的制做不需付出大的代价，另一方面在电源本身失效时或在电源输出端过载时起到对输出直流电压的缓冲作用。
本发明的目的是通过这样一种用于缓冲由电网供电的电源输出端上直流电压的装置来实现的，该装置具有
a)至少一个缓冲电池，所述缓冲电池的一端与所述电源的一端相连，所述缓冲电池的另一端经由一个开关件与所述电源的另一端相连，其特点在于，所述装置还具有
b)一个控制单元，其输入端与所述电源的输出端相连，用于接收该电源输出端上的直流电压，而其控制输出端连接到所述开关件，
b1)当直流电压实际值小于预定最小值时，该控制单元接通所述开关件，从而将缓冲电池接通，
b2)该控制单元产生一个预定的缓冲周期并且在此缓冲周期期满后缓冲电池又被周期地断开。
按照本发明的一有利设计，在缓冲电池被接通后直流电压实际值小于预定最小值时，控制单元不再产生缓冲周期并且不再把缓冲电池断开。
按照本发明的进一步有利设计，当不再产生缓冲周期并且直流电压实际值大于预定的最小值时，缓冲电池又被控制单元断开。此外，缓冲电池的开路电压大于直流电压的标称值。
按照本发明的另一有利设计，对缓冲电池的开路电压和容量进行选择，使该电池在缓冲周期内在存在一接近于额定值范围的负载电流的情况下仅放电到一高于直流电压标称值的电压值。
按照本发明的又一有利设计，其中由电网供电的电源在直流电压输出端具有一个电容器，并且在缓冲周期内由缓冲电池对电容器充电。
按照本发明的有利设计，所述缓冲电池是一个可由电源充电的蓄电池。
下面将对照附图中所示的实施例对本发明作进一步的说明，附图中：
图1为本发明装置的方框图，
图2a和2b为以具有用于输出直流电压调节器的内部辅助电压源的电源为例的本发明装置在缓冲过程中的主要电压的变化曲线，和
图3a、3b和3c为以具有用于起动输出直流电压调节器的辅助电压源的存储电容器的电源为例的本发明装置在缓冲过程中的主要电压的变化曲线。
在图1方框图中的本发明的装置用附图标记DC-USV标示，该装置用于对电源SV输出端上的直流电压Ua进行缓冲。在图1示例中对该装置在电网侧由交流电压Un供电，从而电源SV是一个所谓的交流/直流模件。在另一个图中未示出的实施例中，所述电源也可以由一个电网直流电压供电。
本发明的装置含有至少一个缓冲电池BATT。其中也可以是一个由电源SV本身进行充电的蓄电池。在此情况时附加备有对蓄电池按规定充电的装置，该装置例如具有限制充电电流的功能。对该装置出于简明的考虑在图1中未示出，并且该装置也可以构成在该处的控制单元CU的一部分。
根据本发明，当直流电压Ua的实际值小于预定最小值Uamin时，控制单元CU将缓冲电池BATT接通。该比较是由控制单元CU进行的。当该比较的结果为正时，即必须对输出直流电压Ua进行支持时，则电池BATT优选由电子开关件V控制并通过一个由控制单元CU输出的开关信号SI接通。这时对输出直流电压Ua由电池进行支持并取实时供使用的电池电压Ub的值。
在接通电池BATT的同时，控制单元内产生一个预定的缓冲周期tm。缓冲周期的长度宜选取得短些，优选数量级为秒，例如tm＝1秒。在缓冲周期期满后缓冲电池BATT首先被强制断开。如果输出直流电压接着又低于预定最小值Uamin，则进行一系列的接通和断开周期，直至由于输出直流电压Ua的恢复不再发生低于输出直流电压预定的最小值Uamin的现象并因此也不会再产生其它的电池接通周期为止。输出直流电压Ua的恢复例如可以由于供电电网的复原或由于电源内部的障碍条件的消除而实现。
在实际例中，直接监测的电源SV的输出直流电压Ua值为+24V DC。在此情况时最小值Uamin宜预定为+23V DC。如果输出直流电压Ua由于某种原因还一直降低1V，到23V以下，则DC-USV缓冲装置将事先由输出直流电压充电的电池BATT实际立刻采用电子方式接在输出端上。加在用电器上的在输出端上产生的最小电压因此在实际上并不会低于例如23V DC的预定最小电压值，该电压值尚大大高于大约为18.5V的欠压理论极限。如果缓冲电池BATT具有大于直流电压Ua的标称值Uanenn的开路电压Ub，是有益的。在电源SV的输出直流电压Ua的标称值为24V时，例如由一个开路电压约为27-3V的缓冲电池可满足此条件。
根据本发明，随着每个优选其长度约为1秒的缓冲周期tm的期满，电池BATT被缓冲装置DC-USV周期断开，由此可以判定出电源输出电压可能的恢复。在两个缓冲周期tm间的间隙中对加在用电器上的直流电压Ua的实际值进行测定。如果电源还没有电压输出，则在断开阶段很短的时间内具有电池电压值的输出直流电压Ua降低到预定最小电压值，例如23V DC。缓冲装置DC-USV然后又将电池自动接在用电器上并且另一个缓冲周期tm开始。如果与此相反在缓冲周期tm过程中电源输出电压得到恢复，则随着缓冲周期期满电池断开后不再会低于最小电压值Uamin。通常由电源将输出电压Ua稳定地保持在额定值Uanenn的高度，电池不再被接通并且必要时由电源SV对其重新充电。
如果电源的输出直流电压的中断是由馈电的输入交流电压的丧失而造成的，本发明装置也能充分工作。在此情况下位于电源内部的、正常工作时用于将输出直流电压稳压的调节器，在输入交流电压恢复后，在缓冲周期期满后的间歇时间内将检定低于额定值的输出直流电压Ua的实际值。这种稳压电源在馈送的输入电压恢复后自动起动。
在许多情况下由电网供电的电源SV在直流电压输出端DC具有一个电容器，该电容器在缓冲周期tm内由缓冲电池BATT充电。在紧接缓冲周期期满后的间歇时间内，该电容器在du/dt＝I负载电流/C的条件下按照Q＝I×t＝C×U放电。在输出直流电压Ua出现中断的情况下，在周期连续的缓冲周期之一期满后缓冲的电压Ua并不会突然中断，而是以一个时间常数减退到预定最小值Uamin。此点的优点是，缓冲周期间的间歇时间不会太短并且必要时可采用不容许的开关峰值对用电器加载。
如果不采用本发明的装置就不可能立刻识别出，尤其是位于标称值左右的输出直流电压是由一重新工作的电源，还是由被接通的电池提供的。本装置在此的优点是，不需要付出大的代价即可以有效地识别出电源输出直流电压的恢复。因此电池在故障消除后可以迅速地与用电器断开，并且避免了不必要的放电。由于采用了本发明，因而不必为检测直流电压例如在输出回路中设置一个二极管。故可以避免伴随此二极管出现的导通电压压降、大的功率损耗和冷却体占用大的空间等问题。
本发明装置的另外一个优点是，不必为直接检测馈送的电网电压在电源输入端上采取昂贵的并且占用空间的措施。采用本发明不管是馈送的输入电压中断，还是电源本身失效时都将对用电器继续供电，这是因为监视的是对用电器重要的电源输出电压或用电器输入电压。本发明的装置因此可以附加后置于电源，而不必改变其结构。
本发明的装置具有的其它优点是，该装置甚至在例如由于用电器的接通电流过高而造成电源输出直流电压暂时出现扰动时，一旦用电器电压降到低于预定的最小值，例如23V DC，将自动把作为辅助电源的电池接通。因此在大多数故障情况下，本发明的装置实现了对输出直流电压准迅捷的检定和支持。另外由本发明的强制断路导致，在任何情况下当缓冲周期期满后，可以非常迅捷地在输出直流电压恢复正常后将电池断开。因此可以避免电源和电池有时长时间的连续的同时工作，这种同时工作通常只有在电池逐渐放电很长时间后才能结束。
另外在用电器短路时还可以提供附加电流，这是因为在任何情况下，只要输出直流电压低于预定最小值时，即可通过对该电压的监测实现电池的接通。因此可以更为迅捷和可靠地将前置于用电器的安全自动开关释放，以便实现选择性。在此情况时电池电流宜通过一安装在缓冲装置内的电子短路电流限制器件限制在一定值上，在t＝20毫秒时典型值为120A。
下面将对照在图2a、2b和3a至3c中示出的两个电压变化曲线组对本发明作进一步的说明。其中就工作状况而言基本可以分为两类电源SV。
在第一种电源中，用于对输出直流电压稳压的调节器配备有一个独立的、内部的并由电网输入电压供电的辅助电压源。该电压源将始终保持调节器处于工作状态，甚至在实际的输出电压Ua由于电池BATT的接通大于额定值Uanenn时，也是如此。在没有电网输入电压时，调节器按规定被断开。
在第二种电源中，为起动调节器备有一个存储电容器形式的辅助电源，在一定的时间内由此辅助电源提供辅助能量。在起动后，对存储电容器通过一高阻值电阻例如由一电网电压充电并且调节器由电源主放大器的辅助绕组进行供电。第二种电源的缺点是，在没有输入电压时也就不存在调节器的稳定的能量源。因此在输出直流电压Ua由于电池的接通高于额定值时，将导致电源SV始终不成功的起动尝试。
尽管如此本发明的装置可以接在两种电源的输出端。在这两种电源中在固有的缓冲过程结束后，即例如在电网断电结束后或在动态负载峰值消失后，借助本发明的缓冲装置可以将电池迅速、简易并且低功率损耗地与负载分隔开。
为进一步加以说明，在图2a、2b中以一电源为例示出缓冲过程中本发明装置主要电压的变化曲线，该电源与上述第一种电源相符具有输出直流电压调节器的内部辅助电压流。
如图2a所示假设，在t1时刻向电源馈电的电网断电并且在t8时刻又重新恢复。由于在t1时刻电网断电，如图2b所示输出直流电压Ua在第一过渡时段ts1由Ua＝Uanenn降到Uamin，其中电压变化曲线取决于电源输出电容器的容量和负载电流Ia的强度。在t2时刻本发明的缓冲装置将电池BATT接通。在t3时刻由于电池接通Ua由Uamin上升到值Ub-du，其中Ub表示电池的开路电压并且du表示在激活电池的开关上的压降。由于加有负载，因而电池电压从t3时刻开始稍许降到开路值Ub以下。与此同时在t2时刻产生一个缓冲周期tm。
在tm期满后的t4时刻，电池被强制断开并且接着又开始另一个缓冲周期ts2，在此周期内输出直流电压Ua又重新降低到Uamin。在t5时刻电池被重新接通，另一个延续到t7的缓冲周期tm产生并且Ua在t6时刻重新升高到值Ub－du。只要电网电压Un没有恢复，该顺序就会不断重复。
在t8时刻电网电压Un得以恢复。随着在t8时刻开始的实际的缓冲周期在t9时刻的结束电池自动持续断开。在t10时刻输出直流电压Ua降到Uanenn。从此时刻起电源开始承担对负载的继续供电，并且电源调节器尽可能将Ua稳定在值Uanenn上。由于输出直流电压不再降低到预定最小值Uamin，故电池保持在断开状态。
尤其在电源长期持续的失效时会出现电池大量放电并且与电池电压Ub一致的直流电压Ua实际值在许多连续的缓冲周期tm中的一个不再能高于最小值Uamin的特殊情况。在此时比较有利的是，控制单元CU不再产生缓冲周期tm并且当接通电池后直流电压Ua实际值仍旧小于预定最小值Uamin，缓冲电池因此将不再被断开。当不再产生缓冲周期tm并且直流电压Ua实际值又大于预定的最小值Uamin时，宜由控制单元CU中一单独的逻辑器件将缓冲电池BATT重新断开。
在缓冲时间tm内电池的负载促使电池逐渐放电。电池的开路电压Ub并且在缓冲周期内调节的输出直流电压Ua＝Ub－du缓慢地降低。出于简明起见在图2a、2b、3a、3b、3c中未示出此过程。
最后在图3a至3c中以与图2a和2b对比的方式，以一个电源为例示出一个缓冲过程中本发明装置的主要电压的变化曲线，所述电源与上述第二种电源相符具有一个用于起动输出直流电压调节器的辅助电压源的存储电容器。
其中图3a和图3b中示出的直至包括时刻t8的过程与图2a和2b中的过程相符。另外在图3c中含有用于对电源内调节器馈电的辅助电压Uh的变化曲线。
由例如标志着为电源供电的电网电压得以恢复或阻塞电源的条件结束的时刻t8开始，辅助电压Uh由0升高到阀值Ustart。此点是通过电源内的一个电阻对存储电容器充电实现的。在时刻t9实现阀值时电源调节器开始工作。从在图3c中t9处向3a引出的虚线箭头可看出，这时缓冲时间tm尚未结束。由于在t9时刻电池仍处于接通状态。因而输出直流电压Ua尚大于Uanenn，虽然调节器使存储电容器放电，但电源不能起动。在t11时刻Uh＝Ustop时调节器保持并且存储电容器重新开始充电。此点的原因在于尽管在前面的t9时刻缓冲周期tm结束，电池被断开并因此Ua降低，但在该瞬间t11输出直流电压Ua一直仍大于Uanenn。
“缓冲周期tm的开始/结束”顺序和与此相伴随的电池接通/断开和“调节器开始/结束”在电网电压Un恢复后首先是相互异步运行的。在图3b和3c中此点是由时刻t12、t13和接着的双波线示出的。只有当“调节器工作”和Uamin＜Ua＜Uanenn条件重合时，异步运行才结束。例如在图3b和3c中的t15时刻上就是此情况。由于这时Ua＜Uanenn，故调节器具有准“调节需求”并继续工作。此点造成，输出直流电压Ua不再继续降到Uamin，而是由恢复的电网电压Un驱动，一直到在t16时刻升高到Uanenn。由于不会再低于Uamin，电池因此不再被接通。调节器的辅助电压Un同时从t15开始超过上门限Ustart，直至存储电容器完全充电。
实践表明，在电网电压恢复后或造成电源工作中断的条件消除后平均经大约5个缓冲周期，以图3c为例在t8时刻电源起动并且电池被断开。
针对开路电压Ub和容量对缓冲电池BATT的选择应在一缓冲周期tm内，在存在接近于标称值范围的负载电流Ia的情况下，电池电压Ub＝Ua仅被放电到一个一优选明显高于直流电压Ua的标称值Uanenn的电压值。实际当Uanenn＝24V时电池BATT的开路电压Ub最起码为27V，即可满足此条件。

Claims (7)

1.一种用于缓冲由电网供电的电源(SV)输出端上直流电压(Ua)的装置，其具有
a)至少一个缓冲电池(BATT)，所述缓冲电池(BATT)的一端与所述电源(SV)的一端相连，所述缓冲电池(BATT)的另一端经由一个开关件(V)与所述电源(SV)的另一端相连，其特征在于，所述装置还具有
b)一个控制单元(CU)，其输入端与所述电源(SV)的输出端相连，用于接收该电源(SV)输出端上的直流电压(Ua)，而其控制输出端连接到所述开关件(V)，
b1)当直流电压(Ua)实际值小于预定最小值(Uamin)时，该控制单元(CU)接通所述开关件(V)，从而将缓冲电池(BATT)接通，
b2)该控制单元(CU)产生一个预定的缓冲周期(tm)并且在此缓冲周期期满后缓冲电池又被周期地断开。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在缓冲电池被接通后直流电压(Ua)实际值小于预定最小值(Uamin)时，控制单元(CU)不再产生缓冲周期(tm)并且不再把缓冲电池(BATT)断开。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，当不再产生缓冲周期(tm)并且直流电压(Ua)实际值大于预定的最小值(Uamin)时，缓冲电池(BATT)又被控制单元(CU)断开。
4.按照上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，缓冲电池(BATT)的开路电压(Ub)大于直流电压(Ua)的标称值(Uanenn)。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，对缓冲电池(BATT)的开路电压(Ub)和容量进行选择，使该电池在缓冲周期(tm)内在存在一接近于额定值范围的负载电流的情况下仅放电到一高于直流电压(Ua)标称值(Uanenn)的电压值。
6.按照权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，由电网供电的电源(SV)在直流电压输出端(DC)具有一个电容器，并且在缓冲周期(tm)内由缓冲电池(BATT)对电容器充电。
7.按照权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述缓冲电池(BATT)是一个可由电源(SV)充电的蓄电池。
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