CN117477747A - 一种电源的快速转换方法及其电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源的快速转换方法及其电子设备，所述电源的快速转换方法包含：S1、检测主电源的输入电压；S2、当主电源的输入电压正常时，检测主电源的输出电压电流；S3、当主电源的输出电压电流异常时，将主电源切换至备用电源；S4、检测主电源输入电压；S5、当主电源输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1；其中，所述主电源和备用电源之间切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小。其优点是：该方法有效地保证了双路电源切换的快速性、准确性、安全性以及智能化。

Description

一种电源的快速转换方法及其电子设备

技术领域

本发明涉及船舶设备的电源技术领域，具体涉及一种电源的快速转换方法及其电子设备。

背景技术

在船舶建设过程中，一些重要设备往往会采用双电源供电模式，以防止在一路电源缺失时影响设备运行，进而保证设备能够得到稳定安全的电源供应。而在船用领域，为了实现该功能，主要还是采用塑壳断路器、接触器、控制继电器等电气元器件组成的硬回路对双路电源进行切换。这一类型的切换方法有着切换时间过长的明显缺陷，且无法实现智能控制，还有可能在切换时对设备造成一些损伤。因此，需要对现有的控制方式进行改进。

可以理解的是，上述陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

发明内容

基于前述技术问题，本发明的目的在于提供一种电源的快速转换方法及其电子设备，该方法中对主电源和备用电源的输入电压和输出电压电流进行监测，并基于主电源的状态确定由哪个电源供电，充分发挥了主电源的供电效用，同时，该方法在主电源和备用电源切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值等因素，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小，以便确定主备电源的切换模式，避免用电设备承受较大的负荷，影响其使用寿命，该方法有效地保证了双路电源切换的快速性、准确性、安全性以及智能化。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种电源的快速转换方法，包含：

S1、检测主电源的输入电压；

S2、当主电源的输入电压正常时，检测主电源的输出电压电流；

S3、当主电源的输出电压电流异常时，将主电源切换至备用电源；

S4、检测主电源输入电压；

S5、当主电源输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1；

其中，所述主电源和备用电源之间切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小。

可选的，当所述S1中检测主电源的输入电压异常时，将主电源切换至备用电源，然后进入S4；

当所述S2中检测主电源的输出电压电流正常时，然后返回S1。

可选的，当所述S4中主电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：

S6、检测备用电源输入电压；

S7、当检测备用电源输入电压正常时，检测备用电源的输出电压电流；

S8、当检测备用电源的输出电压电流正常时，返回S4。

可选的，当所述S6中检测备用电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：

S9、检测主电源的输入电压；

S10、当主电源的输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1。

可选的，所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为阻性，进入即时同步切换模式，所述即时同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值；

所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压快速跌落至当前设备的供电电压的80％以下时，进入粗同步切换模式，所述粗同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值；

所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压维持在当前设备的供电电压的80％～90％时，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值；

由备用电源供电时，当主电源的电压恢复至其额定电压的95％时，由备用电源切换回主电源，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值。

可选的，所述即时同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。

可选的，所述粗同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。

可选的，所述准同步切换模式中，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，所述电源信息包含相位信息，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源，并在切换时使备用电源和主电源的三相在同一输入输出的相位角差值最小。

可选的，所述切换条件包含：待切换电源的电压为当前设备的供电电压的90％；

所述主控模块通过可承受kA级别的晶闸管模块实现主电源和备用电源之间的切换。

可选的，一种电子设备，所述电子设备包括：

处理器；以及

存储于处理器上并可在处理器上运行的计算机程序；

其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述的电源的快速转换方法。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的一种电源的快速转换方法及其电子设备中，该方法对主电源和备用电源的输入电压和输出电压电流进行监测，并基于主电源的状态确定由哪个电源供电，充分发挥了主电源的供电效用，同时，该方法在主电源和备用电源切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值等因素，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小，以便确定主备电源的切换模式，避免用电设备承受较大的负荷，影响其使用寿命。

进一步的，该方法依靠能够承受kA级别短路电流的晶闸管模块、能够快速处理数据的单片机以及相关的辅助电路，实现了双路电源切换的快速性、准确性、安全性以及智能化。

附图说明

图1为本发明的一种电源的快速转换方法示意图；

图2为本发明的一种主电路结构示意图；

图3为本发明的一种准同步切换电路示意图；

图4为本发明的一种两路电压的波形对比示意图；

图5为本发明的一种相序检测电路示意图；

图6为图5的相序检测电路对应的一种电压波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

由前述可知，现有的船用设备的双电源在切换时的安全性无法保证，且其智能化程度不足，容易在切换时给船用设备造成损伤。基于此，本发明提供了一种电源的快速转换方法，如图1所示，该方法包含：S1、检测主电源的输入电压；S2、当主电源的输入电压正常时，检测主电源的输出电压电流；

S3、当主电源的输出电压电流异常时，将主电源切换至备用电源；S4、检测主电源输入电压；S5、当主电源输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1；其中，所述主电源和备用电源之间切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小。

由上述可知，本发明的电源的快速转换方法中，对主电源和备用电源的输入电压和输出电压电流进行监测，并基于主电源的状态确定由哪个电源供电，充分发挥了主电源的供电效用，同时，该方法在主电源和备用电源即主备电源切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小，以便确定主备电源的切换模式，避免用电设备承受较大的负荷，影响其使用寿命。

进一步的，如图1所示，当所述S1中检测主电源的输入电压异常时，将主电源切换至备用电源，然后进入S4。另一方面，当所述S2中检测主电源的输出电压电流正常时，然后返回S1，即当主电源供电正常时，无需进行主备电源之间的切换。

在本实施例中，当所述S4中主电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：S6、检测备用电源输入电压；S7、当检测备用电源输入电压正常时，检测备用电源的输出电压电流；S8、当检测备用电源的输出电压电流正常时，返回S4。由上述可知，在该方法中，当设备采用备用电源正常供电时，仍会对主电源的状态进行监测，以便将备用电源切换回主电源。

进一步的，当所述S6中检测备用电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：S9、检测主电源的输入电压；S10、当主电源的输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1。在该方法中，当备用电源故障时，检测主电源的状态，当主电源状态正常时，将备用电源切换为主电源。

如图2所示，在本实施例中，通过该主电路结构对主电源和备用电源的三相电压电流状态以及UVW三线的电压和电流信息进行采样，以实现对主电源和备用电源的状态监测。该主电路由15组主功率模块组成，包括主备电A、B、C相开关单元，A相1、2、3路切换单元，B相1、2、3路切换单元，和C相1、2、3路切换单元。两组输入和输出的三相之间配置由薄膜电容组成的滤波电路，输出之间配置三组输出浪涌电压抑制电路，防止输出感性负载条件下的输出关断时的过压浪涌对开关模组的影响。

在本发明中，主备电源之间的快速切换包含三种模式，具体为即时同步切换模式、粗同步切换模式和准同步切换模式。具体地，所述即时同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。另一方面，所述粗同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。另一方面，所述准同步切换模式中，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，所述电源信息包含相位信息，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源，并在切换时使备用电源和主电源的三相在同一输入输出的相位角差值最小。

在本实施例中，所述切换条件包含：待切换电源的电压为当前设备的供电电压的90％。当然，所述切换条件不仅限于上述，在其他实施例中，可以根据实际需求设置为其他条件，本发明对此不加以限制。在本实施例中，所述主控模块为可快速处理数据的单片机，所述主控模块通过可承受kA级别的晶闸管模块实现主电源和备用电源之间的切换。所述即时同步切换模式和粗同步切换模式不需要对电源相位进行判断，由单片机判断主备电源的相角及其它特性，通过晶闸管模块采样得到的主备电源信息，直接输送给单片机，当达到切换要求时，单片机发出驱动信号，驱动晶闸管模块，断开当前使用电源即主电源，接通对应的备用电源，主电源的ABC相对应备用电源的ABC相，该切换过程用时大约需要6ms，能在极短时间内进行安全可靠地切换。可以理解的是，虽然即时同步切换模式和粗同步切换模式不需要对电源相位进行判断，但在主备电源切换时，若两者相位角相差过大，会产生较大的短时冲击电流，为保护用电设备，可在满足切换时间要求的基础上尽量控制两路电源的相位角差，即主控模块对采集的两电源的输入输出电压相位进行对比，并在合适的相角差进行电源转换。

所述准同步切换模式需要对主备电源的相位进行判断，其通过准同步切换电路进行切换，以降低主备电源三相的相位差。如图3所示，所述准同步切换电路包含三组切换单元，每个切换单元的开关均为晶闸管模块，每相切换单元由主电和备电输入组成，可以实现输出ABC三相的任意输出切换，且满足切换时间极短的需求，最大程度降低感性负载即用电设备切换时的电流冲击。在本实施例中，该方式的总切换时间约为9ms。如图3所示，K3、K8、K13代表输出A相，K4、K9、K14代表输出B相，K5、K10、K15代表输出C相。主电源供电时，开关组件K1、K6、K11闭合，主路输入三相完成开通，切换网络的K3、K9、K15闭合，完成三相输出。当主电源因故障断开，需要备用电源供电时，闭合K2、K7、K12；当主电源故障恢复，需要由备用电源转为主电源供电，此时闭合K1、K6、K11。

在本实施例中，在准同步切换模式中，主控模块通过对采集的主备电源的数据进行判断，待切换电源的哪个相位与正在使用的电源的待切换相位之间的相位差最小，就选择闭合哪路输出开关。例如当主电源故障时，开关组件K1、K6、K11、K3、K9、K15断开，完成主电源的关闭，主控模块采集主电源的输入电压相位并记录关断时刻相位关系。主控模块具有实时多通道采集功能，备用电源的输入电压相位也同时采集并记录，根据备用电源的相位关系，判断备用电源的ABC三相中哪一路的相移和主电源的A相相移最小，通过准同步切换电路的切换单元的开关完成备用电源的开通，完成自动切换。示例地，在一实施例中，主电源因故障断开时，主控模块判断备用电源的B相和主电源的A相之间的相移即相位差最小，则将备用电源B相并入至输出电源A相中，即闭合K4、K10、K13(图3中输出123代表的相序为CBA)，通过K2、K7、K12、K4、K10、K13开关组件的开通，备用电源BCA三相依次接入输出的ABC三相，完成最小相移的准同步切换，该操作在降低冲击电流的同时也兼顾了切换的时间。反之，亦成立。

进一步的，在本发明中，对主备电源的三相的相位进行判断是为了降低短时冲击电流，避免对负载即用电设备产生较大损伤所采取的手段，是在转换时间小于或等于10ms的基础上对两路电源的电压相位进行对比(试验中可以依靠示波器对比两路电压的波形图，如图4中黄色代表主电源输入电压波形，紫色代表备路电源输入波形)，尽量选择在两路输入电源电压的相位差较小时进行切换。

在本实施例中，采用如图5所示的相序检测电路即相序检测模块对主备电源的相序进行检测，图6为该相序检测电路对应的一种电压波形图。所述相序检测模块采用双向过零检测，即把电源信号每周期的正向和负向的两个过零点全部用来提取相序信息。经过反复验证和实验表明，信号的某些缺陷所产生的过零检测误差在正、负向过零点处与其值相等、极性相反，利用误差的互补性，采用双向过零检测，并进行平均，可以使所测相序误差减至最小。其电路也包括两部分：电源信号整形及鉴相器，整形电路由滤波电路及TH193组成的斯密特电压比较器构成，用于检测交流信号的零点。检测方法是：当信号UI(UR)＞0时，D7(D9)导通、D8(D10)截止，运算放大器输出高电平；当信号UI(UR)＜0时，D8(D10)导通、D7(D9)截止，运算放大器输出低电平。这样，正弦信号UI、UR就分别被整形成对称方波(请见图6)。IC3是上升沿触发双D触发器，由它组成的鉴相器对两路由运算放大器整形出的脉冲信号的上升沿进行鉴相。假设UI信号超前于UR，上升沿触发IC3：A，QA为高电平，即IC3：B的CD为高电平，接着UR信号上升沿来到，触发IC3：B为低电平，则IC3：A的CD为低电平，QA被置0，IC3：B的CD为0，QB为1，IC3：A的CD为1，回到起始状态，等待着下一次上升沿的到来。这样循环往复，就在QA端形成了UI与UR之间的相序差脉冲波形(请见图6)。UI滞后于UR时，也可同样分析。鉴相器输出的是脉冲信号，脉冲频率仍等于中频信号，但脉冲宽度由两路中频信号的相序差来决定。脉冲信号在传输过程中会受到种种干扰而致使其脉宽等信息发生很大的失真。因此，必须对其进行处理，使其变成抗干扰性强的数字信号传输。在这里，可以采用压频转换(VFC)技术来实现其转换。压频转换器的主要功能就是在规定的精度和频率要求范围内，将模拟信号(电压或电流)转换成具有一定逻辑电平的数字脉冲输出，数字脉冲的重复频率与模拟电压(或电流)成正比，在鉴相器后续电路中，引用压频转换器将相序信号转换为易于传输的频率信号进行传输。

在本实施例中，该相序检测电路的相序检测方法包含：在a相方波的输入捕获中断和b相方波的外部中断服务中分别记下信号上升沿时的定时器计数值(即发生时刻)t1和t2，其差值Δt对应于信号正向过零时间间隔，再根据相序差的定义，周期同为T的两个信号，其相序差与时间差Δt之间的关系为￠＝360°Δt/T，由此得出AB两相间的相序差，并进行判断，若≤80°，可认为相序正常。可以理解的是，所述相序检测模块不仅限于采用前述电路结构，在其他实施例中，其还可以采用其他电路结构实现相应功能，本发明对此不加以限制。

进一步的，在本发明中，上述各个模式的切入情况有所差异，在实际使用时，可根据实际需求进行设置。在本实施例中，如下表1所示，为自动控制模式和手动控制模式下的多种工况示例，自动控制模式下，主控模块自动根据现场条件执行相应的切入模式，手动控制模式下，需要考虑主备电源之间的三相相位差异，其为相控延迟转换工况，采用准同步切换模式进行切换，切换完后复位转换功能将取消。

表1多种工况示例表

自动控制模式下，所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为阻性，进入即时同步切换模式，所述即时同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值。所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压快速跌落至当前设备的供电电压的80％以下时，进入粗同步切换模式，所述粗同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值。所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压维持在当前设备的供电电压的80％～90％时，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值。由备用电源供电时，当主电源的电压恢复至其额定电压的95％时，由备用电源切换回主电源，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值。在准同步切换模式中，切换时需要对主备电源的相位、相角进行判断，当两者的相位相角有差距时，从一路电源切换到另一路电源时会产生较大的短路电流，会使用电设备产生较大的负荷，减少用电设备的寿命，严重时会损坏用电设备。因此，本发明在切换时对两个电源的状态进行同步判断，可最大程度地保护用电设备，避免其在切换时受到损伤。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器；以及存储于处理器上并可在处理器上运行的计算机程序；其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述的电源的快速转换方法。

综上所述，本发明的一种电源的快速转换方法及其电子设备中，该方法对主电源和备用电源的输入电压和输出电压电流进行监测，并基于主电源的状态确定由哪个电源供电，充分发挥了主电源的供电效用，同时，该方法在主电源和备用电源切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值等因素，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小，以便确定主备电源的切换模式，避免用电设备承受较大的负荷，影响其使用寿命。

进一步的，该方法依靠能够承受kA级别短路电流的晶闸管模块、能够快速处理数据的单片机以及相关的辅助电路，实现了双路电源切换的快速性、准确性、安全性以及智能化。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电源的快速转换方法，其特征在于，包含：

S1、检测主电源的输入电压；

S2、当主电源的输入电压正常时，检测主电源的输出电压电流；

S3、当主电源的输出电压电流异常时，将主电源切换至备用电源；

S4、检测主电源输入电压；

S5、当主电源输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1；

其中，所述主电源和备用电源之间切换时，基于负载的类型以及主电源电压的电压值，确定在切换时是否使主电源和备用电源的各个相在同一输出时的相位差最小。

2.如权利要求1所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

当所述S1中检测主电源的输入电压异常时，将主电源切换至备用电源，然后进入S4；

当所述S2中检测主电源的输出电压电流正常时，然后返回S1。

3.如权利要求1所述的电源的快速转换方法，其特征在于，当所述S4中主电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：

S6、检测备用电源输入电压；

S7、当检测备用电源输入电压正常时，检测备用电源的输出电压电流；

S8、当检测备用电源的输出电压电流正常时，返回S4。

4.如权利要求3所述的电源的快速转换方法，其特征在于，当所述S6中检测备用电源输入电压异常时，所述电源的快速转换方法还包含：

S9、检测主电源的输入电压；

S10、当主电源的输入电压正常时，将备用电源切换至主电源，然后返回S1。

5.如权利要求1所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为阻性，进入即时同步切换模式，所述即时同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值；

所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压快速跌落至当前设备的供电电压的80％以下时，进入粗同步切换模式，所述粗同步切换模式下，在切换时无需考虑主电源和备用电源的相位角差值；

所述主电源和所述备用电源之间切换时，若负载为感性，且主电源的输入电压维持在当前设备的供电电压的80％～90％时，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值；

由备用电源供电时，当主电源的电压恢复至其额定电压的95％时，由备用电源切换回主电源，进入准同步切换模式，所述准同步切换模式下，在切换时需要考虑主电源和备用电源的相位角差值。

6.如权利要求5所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

所述即时同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。

7.如权利要求5所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

所述粗同步切换模式中，无需对主电源和备用电源的相位进行判断，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源。

8.如权利要求5所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

所述准同步切换模式中，采集主电源和备用电源的电源信息并将其发送给主控模块，所述电源信息包含相位信息，达到切换条件时，主控模块控制断开当前使用的电源，接通待切换电源，并在切换时使备用电源和主电源的三相在同一输入输出的相位角差值最小。

9.如权利要求5所述的电源的快速转换方法，其特征在于，

所述切换条件包含：待切换电源的电压为当前设备的供电电压的90％；

通过可承受kA级别的晶闸管模块实现主电源和备用电源之间的切换。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

处理器；以及

存储于处理器上并可在处理器上运行的计算机程序；

其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9中任一项所述的电源的快速转换方法。