CN1599189A - 具有两个继电器旁路电路的在线式不间断电源及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种在线式不间断电源(UPS)包括设置成耦合到AC电源的AC输入和设置成耦合到负载的输出。UPS还包括耦合到AC输入并操作产生来自AC电源的AC电压的AC/AC变频器电路；第一机械继电器(如单刀单掷(SPST)继电器)耦合在AC/AC变频器电路和输出之间。第二机械继电器耦合在AC输入和输出之间。UPS进一步包括一控制电路，其用于控制第一和第二机械继电器以分别使UPS处于在线模式或旁路模式，其在线模式中第一机械继电器将AC/AC变频器电路与输出耦合而第二机械继电器将AC输入从输出断开耦合，旁路模式中第一机械继电器将AC/AC变频器电路从输出断开耦合而第二机械继电器将AC输入耦合到输出。

Description

具有两个继电器旁路电路的在线 式不间断电源及其操作方法

技术领域

本发明涉及电源装置及其操作方法，尤其是，涉及不间断电源(UPS)装置及方法。

背景技术

许多常规的不间断电源(UPS)采用在线式结构。如图1所示，典型的在线式串联系列UPS10包括AC/AC变频器电路12，其在负载处产生来自AC电源20，如公共线提供的AC输入电压的AC输出电压。如所示，AC/AC变频器电路12可以包括整流器和逆变器的结合，其由能够将AC电压源20的干扰和其它损耗与负载30隔离的DC总线连接。典型地，DC总线也可以连接于辅助电压源，如电池，其在AC电压源断掉时维持DC总线上的DC电压。一些在线式UPS采用包括较复杂的如Δ转换器或其它技术的电路拓扑结构而不是串联系列。

正常操作条件下，在线式UPS通过整流/逆变电路或类似的调节电路给负载供电，在UPS的输出端提供相对净化的和调节后的电压，当AC电压源20断掉时，UPS 10可以实现不间断过渡到电池电源，通常不需要改变转换器开关的状态。如图1所示，UPS 10也可以包括旁路特性，这样，如果例如AC/AC变频器电路12发生故障或过载，负载30可以通过C型(双刀双掷)继电器14断开与AC/AC变频器电路12(如输出逆变器)的连接，并直接连接到AC电源20。这样的特性还可以用于提供“经济”的操作模式，因为当负载转换到旁路通路时可以降低与整流器/逆变器电路相关的功率损耗。

许多常规的低成本UPS采用“先断后开”技术实现正常模式和旁路模式之间转换，即，它们在C型继电器14的状态转换之间出现输出电压中断。但是，如图1所示，一些单元采用固态开关16，如，反并联连接的可控硅整流器(SCR)，以平滑来自或者至AC电源20的负载30的转换，直到C型继电器14转换。特别地，当从AC/AC变频器电路12到AC电源20的负载30的变换开始时，固态开关16会在继电器14触发之后立即打开。由于固态开关16几乎能够瞬间地导通，所以在继电器14的触点在位置间移动的同时，AC电源20能够通过固态开关16连接于负载30。同样，当负载30回到AC/AC变频器电路12的转换开始时，固态开关16会在继电器14触发之后立即打开，并维持“on”状态直到继电器14的触点完全转换到AC/AV变频器电路12。之后固态开关16关断以断开AC电压源20和负载30之间的直接连接。

发明内容

根据本发明的一些实施例，在线式不间断电源(UPS)包括设置为连接到AC电压源的AC输入和设置为连接到负载的输出。UPS包括连接到AC输入并操作产生来自AC电压源的AC电压的AC/AC变频器电路。第一机械继电器(如单刀单掷(SPST)继电器)连接在AC/AC变频器电路和输出之间。第二机械继电器(如另一SPST继电器)连接在AC输入和输出之间。UPS进一步包括一控制电路，其操作控制第一和第二机械继电器以选择性地使UPS位于在线模式，其中第一机械继电器将AC/AC变频器电路与输出相连接，第二机械继电器将AC输入从输出或旁路模式断开连接，其中第一机械继电器断开AC/AC变频器电路与输出的连接，第二机械继电器将AC输入连接到输出。

根据本发明进一步的实施例，控制电路通过关断第二机械继电器同时维持第一机械继电器在关闭状态然后在预定的时间之后打开第一机械继电器来使UPS位于旁路模式。控制电路可以进一步通过关断第一机械继电器同时维持第二机械继电器在关闭状态然后在预定的时间之后打开第二机械继电器来使UPS位于在线模式。根据另一方面，控制电路操作运行第一和第二机械继电器的至少一个作为超高速机械继电器，如，通过施加相当高的线圈电压以加速继电器动作，随后施加将继电器维持在其新的状态的降低的线圈电压。这种方式下，可以实现由采用固态开关的旁路电路所提供的性能。

根据本发明的变形实施例，不需要利用固态开关就可以得到在线式UPS中在线和旁路模式之间相当平稳地转换。因此，可以取消反向和/或自动防故障电路，潜在地降低UPS的复杂性和/或成本。本发明由装置和方法具体体现。

附图说明

图1是表示常规的不间断电源(UPS)的示意性框图。

图2是表示根据本发明的某些实施例的UPS的示意性框图。

图3是表示根据本发明的又一实施例的UPS的示意性框图。

图4是表示图3所示的UPS的典型操作的波形图。

具体实施方式

现在将参照示出本发明的优选实施例的附图详细全面地描述本发明。然而，本发明可以被包含在许多不同的形式中并且不应该仅限制于此处实施例所列举的结构；而是提供这些实施例使得该公开的内容详细完整，而且对本领域普通技术人员来说完全表达了本发明的范围。附图中，相同的标号表示相同的部件。可以理解，当说到一个部件“被连接”或“被耦合”到另一部件时，即指它可以直接与另一部件连接或耦合或者存在插入元件。相反，当说到一个部件“直接连接”或“直接耦合”到另一部件，则不存在插入元件。

图2示出了根据本发明的某些实施例的不间断电源(UPS)200。UPS200包括设置成耦合到AC电源20(如AC公共线)的AC输入201，和设置成耦合到负载30的输出202。AC/AC变频器电路210耦合到输入201。第一机械继电器，这里所示为一单刀单掷(SPST)继电器220，用于使AC/AC变频器电路210的输出与输出202耦合和断开。第二机械继电器230用于使AC输入201与输出202耦合和断开。控制电路240，如继电器驱动电路，控制第一和第二机械继电器220、230。

图2的结构具有许多优点。尤其是，用机械继电器220，230取代C型继电器和固态开关的组合可以不必设置另外的防止反馈电路和提供符合调节要求的自动防故障操作。由于两个继电器220，230可以以“先开后断”的方式操作，因此可以得到在线和旁路模式之间的平稳转换。

可以理解，UPS200的组成部分，如控制电路240，通常可具体采用分立电路，集成电路，设置成执行软件和/或固件的数据处理电路，以及它们的结合，例如，控制电路240可以包括微处理器，微控制器或其它数据处理电路与分立继电器驱动电路如晶体管和逻辑电路元件的结合。进一步可以理解，全部或部分的这些电路可以集成在一个或多个设备上，如专用集成电路(ASIC)或混合电路。

如图3所示，根据本发明的又一实施例的UPS300包括AC/AC变频器电路310，第一和第二机械SPST继电器K1，K2和控制电路340。AC/AC变频器电路310包括输入整流器312，其耦合到UPS300在与AC电源20连接处的AC输入301。AC/AC变频器电路310还包括通过中间DC总线315与整流器312耦合的输出逆变器314。AC/AC变频器电路310还包括连接到DC总线315的辅助DC电源316(如电池和DC/DC转换器的结合)。第一机械SPST继电器K1用于使逆变器314在与负载30连接处与UPS的输出302耦合和断开。第二机械SPST继电器K2用于使AC输入301与输出302耦合或断开。控制电路340控制机械SPST继电器K1，K2和AC/AC变频器电路310的操作。

图4是图3所示的UPS300的操作示例。开始，UPS处于旁路模式，即，给第一继电器K1的线圈施加零电压以维持其触点在打开状态O，而给第二继电器K2的线圈施加电压V1以维持触点在闭合状态C。为将负载30从AC电源20转换到逆变器314，以使UPS300在“在线”模式动作，控制电路340首先用足以促使第一继电器K1的触点开始从打开状态O转换为闭合状态C的电压V3驱动第一继电器K1的线圈。随着第一继电器K1的触点转换为闭合状态C，控制电路340接着施加零电压到第二继电器K2的线圈以使第二继电器K2的触点从闭合状态C转换为打开状态O。

为将负载30转回到AC电源20使UPS300处于“旁路”模式，控制电路340施加电压V2到第二继电器K2的线圈以将其触点从打开状态O转换为闭合状态C。第二继电器K2的触点转换为闭合状态C之后，控制电路340施加零电压到第一继电器K1的线圈以使其触点从闭合状态C转换为打开状态O。如所示，第二继电器K2可以是“超高速”继电器，如控制电路340可以在施加较低的维持继电器K2在闭合状态的电压V1之后，施加相对高的电压V2以使第二继电器K2转换为闭合状态C。在这种方式中，在许多故障场合可以采用近似常规的利用固态开关的设计。应该相信，这样的操作可以得到比使用标称线圈电压至少快50％的操作。

典型的DC继电器的线圈电流增加缓慢。尤其是，给线圈施加电压后，除继电器衔铁的动作典型地改变继电器的感应系数，并因此影响通常的时间-电流关系式之外，线圈电流的形状类似于电感中建立的电流。当衔铁“就位”时，线圈电流通常表现为一个下降，之后线圈电流基于闭合继电器的感应系数而增加，直到达到取决于线圈阻抗的稳态值。

通常施加高于额定线圈的电压改变线圈中电流的建立方式。由于给线圈施加了较高的电压，线圈电流足以开始比施加正常线圈电压更容易使衔铁发生移动。更快速增加的线圈电流可以增加施加给衔铁的力，其可以减少第一次放电的时间(并且能够增加接触反弹，其在UPS的旁路模式操作中不算问题)。基于触点的闭合，施加的电压可以减小到维持触点在闭合位置的电平。

提供这样多电平驱动的电路是本领域公知的，这里不再详细论述。例如，继电器制造商已经将这种特征用于一些大型DC电流接触器。这种电流接触器典型地具有线圈，其具有低电感和DC阻抗并且能够快速移动衔铁，但其不能够持续经受使触点闭合的线圈电流的幅度。触点转换状态后，这样的电流接触器可以减少采用其它串联电阻的线圈中的电流，该电阻被转换到一比线圈电流低的电平，该电平通过有效降低线圈两端的电压使触点维持在闭合位置。可以理解，这些和其它使超高速继电器动作的技术可以用于本发明。

也可以理解，第一继电器K1可以是超高速继电器，并且在UPS300转换为“在线”模式中，可以以与第二继电器K2类似的方式工作。但最好是第二继电器K2快速动作。因此，第一继电器K1可以用作“标准”继电器，如不需要这样的两个电平驱动，其使得驱动电路简单，低成本。

再参考图3，控制电路340可以与AC/AC变频器电路310相关操作。例如，控制电路340可以检测AC/AC变频器电路310的工作状态，如负载，输出电压等。并且可以使继电器K1，K2相应地动作。也可以理解，在继电器K1，K2都处于闭合状态期间，这样逆变器314和AC电源20都连接到负载30，控制电路340使得AC/AC变频器电路310同步动作到AC电源20，以此减少逆变器314中的回流和其它因缺少同步而出现的不希望的现象。

例如，如图3所示，控制电路340可以响应于AC电源20产生的输出电压Va和逆变器314产生的输出电压Vb。控制电路340可以，例如，响应于检测到的AC电源20产生的输出电压Va和逆变器314产生的输出电压Vb之间的相位差，来调节逆变器314的工作频率，并且响应于检测到的AC电源20的输出电压Va和逆变器314的输出电压Vb之间的幅度差，来调节逆变器314产生的输出电压Vb的幅度。例如，如果逆变器314的输出电压Vb滞后于AC电源20的输出电压Va，则控制电路340就增加逆变器314的工作频率以减少将负载30转换到逆变器314之前的相位误差。相反，如果逆变器314的输出电压Vb超前于AC电源20的输出电压Va，则控制器340就相应降低逆变器314的动作频率以减少转换之前的相位误差。同样，可以调节逆变器314的输出电压Vb的幅度，如，通过调节DC总线315上的DC电压，使其基本与AC电源20的输出电压Va在负载30从AC电源20转换到逆变器314之前的幅度匹配。随着负载转换到逆变器314，逆变器314产生的输出电压Vb的频率和/或幅度可以被AC电源20产生的输出电压Va独立控制。

附图和说明书已经公开了本发明的典型地优选实施例，并且，虽然采用了专门的术语，但它们只用于一般的描述性的理解，没有限制的目的，发明的范围将在下面的权利要求中列出。

Claims (22)

1.一种在线式不间断电源(UPS)，包括：

设置成耦合到AC电源的AC输入；

设置成耦合到负载的输出；

耦合到AC输入并操作产生来自AC电源的AC电压的AC/AC变频器电路；

耦合在AC/AC变频器电路和输出之间的第一机械继电器；

耦合在AC输入和输出之间的第二机械继电器；

控制电路，用于控制第一和第二机械继电器以选择性地使UPS处于在线模式或旁路模式，其在线模式中第一机械继电器将AC/AC变频器电路与输出耦合并且第二机械继电器将AC输入从输出断开耦合，旁路模式中第一机械继电器将AC/AC变频器电路从输出断开耦合并且第二机械继电器将AC输入耦合到输出。

2.根据权利要求1的UPS，其中第一和第二机械继电器中的至少一个包括一单刀单掷(SPST)继电器。

3.根据权利要求1的UPS，其中控制电路通过闭合第二机械继电器，同时维持第一机械继电器在闭合状态然后在预定的时间之后打开第一机械继电器来使UPS处于旁路模式。

4.根据权利要求1的UPS，其中控制电路通过闭合第一机械继电器，同时维持第二机械继电器在闭合状态然后在预定的时间之后打开第二机械继电器来使UPS处于在线模式。

5.根据权利要求1的UPS，其中控制电路操作使得第一和第二机械继电器中的至少一个用作超高速机械继电器。

6.根据权利要求5的UPS，其中只有第二机械继电器用作超高速机械继电器。

7.根据权利要求5的UPS，其中控制电路用于给第一和第二机械继电器中的一个的线圈施加第一非零电压以使第一和第二机械继电器中的一个从第一状态转换到第二状态，并给线圈施加小于第一非零电压的第二非零电压以维持第一和第二机械继电器中的一个在第二状态。

8.根据权利要求5的UPS，其中控制电路用于当第一和第二机械继电器的触点转换时，给第一和第二机械继电器的各个线圈分别施加电压，以此第二机械继电器的触点至少比第一机械继电器的触点转换快50％。

9.根据权利要求1的UPS，其中控制电路响应于AC/AC变频器电路的状态使第一和第二机械继电器动作。

10.根据权利要求1的UPS，其中AC/AC变频器电路包括整流器和逆变器的串联组合。

11.根据权利要求1的UPS，其中控制电路进一步用于操作控制AC/AC变频器电路。

12.一种在线式不间断电源(UPS)的操作方法，该方法包括：

提供耦合在UPS的AC/AC变频器电路的输出和UPS的输出之间的第一机械继电器；

提供耦合在UPS的AC输入和输出之间的第二机械继电器；

操作第一和第二机械继电器使UPS处于在线模式，其中第一机械继电器将AC/AC变频器电路耦合到输出并且第二机械继电器将AC输入从输出断开耦合；和

操作第一和第二机械继电器使UPS处于旁路模式，其中第一机械继电器将AC/AC变频器电路从输出断开耦合并且第二机械继电器将AC输入耦合到输出。

13.根据权利要求12的方法，其中第一和第二机械继电器中的至少一个包括一单刀单掷(SPST)继电器。

14.根据权利要求13的方法，其中操作第一和第二机械继电器使UPS处于旁路模式包括：

闭合第二机械继电器同时维持第一机械继电器在闭合状态；然后

在预定的时间之后打开第一机械继电器。

15.根据权利要求14的方法，其中闭合第二机械继电器包括使第二机械继电器动作为一超高速机械继电器。

16.根据权利要求15的方法，其中第一机械继电器不动作为一超高速机械继电器。

17.根据权利要求15的方法，其中使第二机械继电器动作为一超高速机械继电器包括：

给第二机械继电器的线圈施加第一非零电压以使第二机械继电器从第一状态转换到第二状态；和

给线圈施加小于第一非零电压的第二非零电压以维持第二机械继电器在第二状态。

18.根据权利要求15的方法，其中使第二机械继电器动作为一超高速机械继电器包括：

驱动第二机械继电器的触点比至第一机械继电器的触点至少快50％。

19.根据权利要求12的方法，其中操作第一和第二机械继电器使UPS处于在线模式包括：

闭合第一机械继电器同时维持第二机械继电器在闭合状态；然后

在预定的时间之后打开第二机械继电器。

20.根据权利要求19的方法，其中闭合第一机械继电器包括使第二机械继电器动作为一超高速机械继电器。

21.根据权利要求12的方法，进一步包括响应于AC/AC变频器电路的状态使第一和第二机械继电器动作。

22.根据权利要求12的方法，其中AC/AC变频器电路包括整流器和逆变器的串联组合。

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