CN1848600B - 供电装置 - Google Patents

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Abstract

供电装置,供电装置(1)具有:第一输入端,连接到第一电源;至少一个第二输入端,连接到至少一个第二电源;及输出端,连接到负载。装置(1)包括:至少两个并联的逆变器模块(11、12、13),由至少一个第二输入端供电;及静态开关(30),将连接从第一电源转接到负载。每个逆变器模块(11、12、13)包括内部开关(11a、12a、13a),用于将连接从各自逆变器模块(11、12、13)转接到负载。这种结构允许将临界负载直接连接到逆变器组(10),从而排除所有逆变器模块的共用静态开关处易发生单点故障的问题。通过提供附加逆变器模块,整个系统的冗余度容易建立或增加。提出的结构保证了故障防护维护过程,因为对于静态开关的维护不需要手动旁路。

Description

供电装置
技术领域
本发明涉及一种供电装置(arrangement),它具有用于连接到第一电源的第一输入端、用于连接到至少一个第二电源的至少一个第二输入端以及用于连接到负载的输出端,该装置包括由所述至少一个第二输入端供电的至少两个并联的逆变器模块以及用于将连接从所述第一电源转接到所述负载的静态开关。本发明还涉及包括这种供电装置的不间断模块化供电系统,以及用于这种供电装置的逆变器模块。
背景技术
不间断供电电源(UPS)已广泛使用。它们在标准电源(例如AC市电电源(mains))和敏感负载(计算机系统、保密装置、仪器仪表等)之间提供了一个接口。不间断供电电源包括一个备用电源,通常是DC电源(例如,带有备用电池的整流器)。逆变器用于通过重组调节的和连续的正弦波输出而从DC输入电流中产生AC输出电流。常见的逆变器包括DC/AC变换器、调节系统和输出滤波器。
通常,至少两个并联的逆变器用于在标准电源有故障的情况下将DC输入转换为由临界负载可用的AC输出。提供多个逆变器不仅允许有更高的负载,而且还可提供一定的冗余度,这样如果一个逆变器模块有故障,则其它单元就可承担其工作,而保证不间断供电。
还已知的是,逆变器包含在逆变器模块中,这样如有故障可以很容易更换,或者,如果负载增加,或如果需要有更高的冗余度,则也可容易地添加另外的模块。
在所谓的离线拓扑中,主(标准)电源(例如AC市电电源)以及逆变器组(由多个逆变器模块组成)都连接到静态开关的输入端。开关的输出端连接到要由供电装置供电的临界负载。静态开关(或静态旁路开关)是一个电力电子器件,其允许通过采用适当的电子开关器件(代替缓慢的机械零件)进行超快速切换。正常使用时,静态开关处在负载直接连接到主电源的位置(离线模式)。一检测到电源故障(即标准电源出故障),静态开关就转接到备用电源(在线模式)。由于这种超快速的开关器件,电源的这种变化就可以不间断地对临界负载供电。
在这些现有的模块化逆变器结构中,临界负载总是通过静态开关连接到能量源,不论是离线还是在线模式。所以,如果静态开关出故障,则临界负载的供电中断。静态开关易于发生单点故障,构成了已知结构的重大缺点。这种单点故障可由许多原因引起,例如微控制器复位、微控制器的石英钟电路或微控制器本身的故障、电路中可使辅助电源短路的故障、辅助电源故障或许多其它原因。此外,静态开关还需要冷却系统,或基于对流冷却,或采用冗余风扇。
原则上,通过建造具有全冗余的静态开关就可避免这些缺点。但这会导致对装置成本的重大冲击。
而且,即使用了具有全冗余的静态开关,但还有一个缺点,就是:如果要执行维护过程,则静态开关必须通过使用手动旁路来更换。手动旁路开关允许通过直接连接到标准电源来向负载供电。如果这种更换被维护人员进行得不正确,则临界负载的供电就会中断,即,系统的可靠性取决于维护指令和人的技术水平和注意力。这就需要有复杂而冗长的规定的维护过程,以便减少故障的风险。但是,人为差错绝不能完全避免,所以对已知系统的可靠性始终构成威胁。
发明内容
本发明的目的是创建一种关于前述技术领域的供电装置,其是可靠且成本合算的。
本发明的解决方案由下述特征指定。按照本发明的一个方面,一种供电装置,具有:第一输入端,用于连接到第一电源;至少一个第二输入端,用于连接到至少一个第二电源;以及用于连接到负载的输出端,
a)所述装置包括至少两个并联的逆变器模块,它们由所述至少一个第二输入端供电;以及
b)每个所述逆变器模块包括内部开关,所述内部开关用于将连接从各自的逆变器模块转接到所述负载,
其特征在于:
c)所述装置还包括静态开关模块,用于将连接从所述第一电源转接到所述负载,以及
d)所述供电装置能够通过以下操作从离线模式切换到在线模式:闭合所述逆变器模块的所述内部开关以使所述逆变器模块连接到用于连接到所述负载的所述输出端,并打开所述静态开关模块的开关器件以将用于连接到所述负载的所述输出端与所述第一输入端断开,在所述离线模式,直接从所述第一电源通过所述静态开关模块的闭合开关器件向用于连接到所述负载的所述输出端供电,并且所述逆变器模块的所述内部开关是打开的,所述内部开关的闭合发生得非常迅速,以使电源故障时用于连接到所述负载的所述输出端始终有供电。
根据本发明的另一方面,一种模块化不间断供电系统,包括所述的供电装置,还包括DC电源,所述DC电源连接到多个并联逆变器模块的输入端。
根据本发明的又一方面,一种逆变器模块,用于所述供电装置,具有用于连接DC电源的输入端和用于连接AC负载的输出端,包括逆变器电路和用于将连接从所述输入端转接到所述输出端的内部开关),所述内部开关能够非常迅速地闭合,以使用于连接到所述负载的所述输出端始终有供电。
由此,按照本发明,一般常驻在静态开关内分别用于将连接转接到第一和第二电源的两个开关器件分处于不同位置。连接到第一(标准)能量源的开关仍留在静态开关内。连接到逆变器组的开关被移动,并被分布到逆变器模块中。在静态开关中,这个开关器件已不再需要。
这种结构可以将临界负载直接连接到逆变器系统,特别是连接到冗余逆变器系统,这是一种非常可靠的能量源。如果需要n个模块为负载供电,则在冗余系统中至少配有n+1个逆变器模块。在可靠能量源和临界负载之间不再有任何临界元件。因此,静态开关的单点故障就不再是关键事件。所以,就不需要昂贵的全冗余静态开关。相反,将所有系统相关冗余都集成到模块化逆变器模块中。通过提供附加的逆变器模块,就可容易地增加整个系统的冗余。
而且,所提出的结构保证了故障防护维护过程,因为不需要手动旁路作静态开关的维护。但如果需要,则静态开关的手动旁路依然可与这个提出的结构一起使用。
多个逆变器模块可以由单一备用电源供电,或者可以有多个备用电源,其中每一个连接到单个逆变器模块或模块组。
优选的是,每个所述逆变器模块的输出端始终连接到所述输出端,以便连接到负载。这样,就可避免在逆变器组和临界负载之间有附加元件,例如其它的开关器件。通过这种永久的连接,每个逆变器模块始终能获得有关该负载目前是否被供电的信息。
对逆变器模块进行控制,以使只要负载由所述第一电源供电,每个模块的内部开关就打开。一旦在负载上检测到电源故障,模块的内部开关就闭合,以便由所述第二(备用)电源向负载供电。布置在逆变器模块中的多个独立快速开关的工作,保证了供电装置的冗余度和由此的可靠工作。
最好,每个所述逆变器模块包括检测电路,该电路连接到逆变器模块的输出端,用于检测负载上的电源故障。如果模块的输出端始终连接在负载上,如上述,则它们总可检测负载上的电源故障,并确保各个模块立即转接到在线模式。如果至少配有一个冗余逆变器模块,则逆变器模块的故障就不会导致系统的故障,因为这个附加的并联逆变器模块承担了故障模块的工作,并确保了装置的继续工作。在每个模块中提供检测电路确保了装置中这个关键元件的冗余度,其方式和对逆变器和开关器件所作的相同。
备选地,将一个检测电路或几个检测电路布置在逆变器模块之外,例如布置在静态开关之内,并且所有模块分别由这个电路或这些电路控制。例如,如果有大量的逆变器模块,则可将它们分成组,其中每个组连接到单独的、优选是模块化的检测装置。检测电路连接到装置的输出端以便连接到负载,连接到装置的第一输入端以便连接到标准电源,或直接连接到负载的电源输入端。
有利的是,逆变器模块的内部开关连接在逆变器电路和逆变器模块的输出端之间。如果逆变器模块包括检测电路,该检测电路也连接到模块的输出端,则这保证了短的反应时间,并允许更简单的结构。
通常,装置的第一输入端适于连接到AC电源(例如常用的230V50Hz、120V 60Hz或其它标准市电电源系统),而至少一个第二输入端适于连接到DC电源。有许多可以用的DC电源:它们可包括由AC电源或独立发电机例如太阳能转换器或风力发电机充电的存储元件,例如电池、电容器、飞轮等。备选地,DC电源可包括能够连续产生电力的发电机,例如燃料电池。必要时,采用整流器以从AC电源产生DC输出电流。
如果将多个DC电源连接到单个逆变器模块或逆变器模块组,则附加的冗余可以提高系统的可靠性。装置的模块化可以容易地适应有关可靠性、输出电流稳定性、所需最大负载以及可用电源等方面的不同需要。
和这种DC电源一起,该供电装置就构成了高可靠性的模块化不间断供电系统。模块化结构确保易于维护和升级。供电系统通常还包括例如用于冲击电压保护、装置监控、提供误差消息等的其它组件。
其它优选实施例和特性组合可从以下详细说明和整个权利要求中得出。
附图说明
用于解释实施例的附图包括:
图1A、B分别示出离线和在线模式的现有技术供电装置示意图;
图2A、B分别示出离线和在线模式的根据本发明供电装置的示意图;
图3示出采用根据本发明供电结构的不间断供电电源示意图。
在附图中,相同的组件有相同的参考标号。
具体实施方式
图1A、B分别示出离线和在线模式的现有技术供电装置的示意图。装置101的特征是有逆变器组110,它包括多个逆变器模块111、112、113,每个逆变器模块连接到输入端120,以连接DC电源,例如备用电池。装置101还包括静态开关130,它提供两个开关器件131、132,分别用于将连接从AC市电电源输入140转接到输出端150以连接临界负载,以及在逆变器模块111、112、113和输出端150之间转接连接。
在离线模式(图1A),负载输出端150通过闭合的第一开关器件131直接从AC市电电源输入端140供电。当另一开关器件132打开时,逆变器组110不连接到负载输出端150。
一旦检测到电源故障,静态开关130就切换,即,开关器件132闭合,以使逆变器组110连接到负载输出端150,而另一开关器件131打开,将负载输出端150与AC市电电源140断开。连接在逆变器组110和负载输出端150之间的开关器件132的闭合发生得非常迅速,以使负载输出端150始终有供电。
由于临界负载始终通过静态开关130连接到能量源,不论是离线还是在线模式,因此现有的模块化逆变器结构就有与静态开关130的单点故障有关的重大缺点。如果静态开关130有故障,例如由微控制器复位或者微控制器或静态开关130中其它电路的故障引起的,则临界负载输出150的供电就会中断。
为了避免这些缺点,提出了一种新的模块化逆变器结构。相应的供电装置1示意于图2A、2B中,分别为离线模式和在线模式。再者,装置1的特征是有逆变器组10,它包括多个逆变器模块11、12、13,每个逆变器模块连接到输入端20,以连接DC电源,例如备用电池。装置1还包括开关模块30,它提供开关器件31,用于将连接从AC市电电源输入端40转接到输出端50,以连接临界负载。
和上述现有技术结构对比,每个逆变器模块11、12、13都有一个开关器件11a、12a、13a,从各自的逆变器模块连接到输出端50,以连接临界负载。这样,集成在逆变器模块11、12、13中的开关器件11a、12a、13a取代了现有技术静态开关中第二开关器件的功能。
在离线模式(图2A),负载输出端50还是通过闭合的开关器件31直接从AC市电电源供电。由于逆变器模块11、12、13的开关器件11a、12a、13a是打开的,故从逆变器组10到负载输出端50没有连接。
一旦检测到电源故障,逆变器模块的开关器件11a、12a、13a就闭合,以使逆变器组10连接到负载输出端50,而另一开关器件31打开,使负载输出端50与AC市电电源输入端40断开。再者,连接在逆变器模块11、12、13的逆变器和负载输出端50之间的开关器件11a、12a、13a的闭合发生得非常迅速,以使负载输出端50始终有供电。
这不仅发生在AC市电电源出故障的情况下,而且发生在开关模块30有故障或者出于维护目的而被拔去的情况下。所以,不再需要安装手动旁路来进行开关模块30的维护操作。
逆变器模块11、12、13的数量优选为:即使一个或多个逆变器模块有故障,也可确保对负载输出端50的可靠供电,即,提供了一定的冗余度。在所提出的供电结构中,该方案自动确保了:在市电电源出故障时确保不间断供电的开关器件11a、12a、13a也配置得有冗余。因此,这些开关器件11a、12a、13a中一个有故障,不再会导致装置的总体故障。
图3是采用根据本发明的供电结构的模块化不间断供电系统的示意图。UPS 2包括以上结合图2A、2B简要说明的供电装置1。它还包括电池3、4和整流器/充电器模块5,这个模块主要包括整流器5a,它连接到UPS的AC市电电源输入端2a,以及充电电路5b,它连接在整流器5a的输出端和电池3、4之间。整流器/充电器模块5确保在有AC市电电源时电池3、4被充电,这样如果AC市电电源有故障,它们就起备份电源的作用。
图3中,还示出了逆变器模块11、12、13的详细结构。除了开关器件11a、12a、13a外,每个逆变器模块11、12、13还有逆变器电路11b、12b、13b和检测电路11c、12c、13c。逆变器电路11b、12b、13b的输入端连接到电池3、4;逆变器电路11b、12b、13b的输出端连接到开关器件11a、12a、13a。逆变器电路产生具有规定频率(例如50Hz或任何其它所需频率)和幅度(例如230V或任何其它所需幅度)的正弦AC输出电压。这种电路已知例如包括DC/AC变换器电路以及输出滤波器(其可以是无源的或是例如由DSP控制的)。检测电路11c、12c、13c连接到各自逆变器模块11、12、13的输出端,用以检测负载供电电源的状态。这是可能的,因为逆变器模块11、12、13的输出端总是直接连接到模块化不间断供电系统2的输出端2b,以连接临界负载。在离线模式,负载通过闭合的开关器件31从AC市电电源供电。一旦检测到电源故障,检测电路11c、12c、13c就指示开关器件11a、12a、13a闭合其开关,以便立即从电池3、4向负载供电。
在线模式中,负载由电池3、4供电。在DC电源有故障的情况下,静态开关30的开关器件31闭合,开关器件11a、12a、13a打开,以便从AC市电电源直接向负载供电。为了检测电源故障,静态开关30也有两个检测电路(未示出),一个在输入端,用以监控AC市电电源,另一个在输出端,用以监控负载供电。
如果在在线模式负载短路,供电系统2必须能够在短时间内烧断负载熔丝。在此情况下,逆变器模块11、12、13中的检测电路11c、12c、13c检测到输出电压已不再存在。基于附加的内部信息(例如电流极限情况),逆变器模块11、12、13就知道这是短路情况。于是逆变器模块11、12、13就打开开关器件11a、12a、13a。静态开关30也利用其检测电路检测到输出电压故障,并接通其开关器件31,以用AC市电电源的高电流烧断负载熔丝。
在过载(连接有太多负载)的情况下,逆变器11、12、13限制它们的输出电流,导致负载电压下降。这由逆变器模块11、12、13的检测电路11c、12c、13c检测。电压降一超过给定阈值,逆变器模块就打开其开关器件11a、12a、13a。再者,静态开关30也会检测到输出电压误差,于是可接通其开关器件31,以从AC市电电源供电。
模块化不间断供电系统2还包括控制器,它有各种监控和控制任务,例如控制充电过程、冷却装置、调节逆变器功能、监视所有内部过程、提供误差消息等。为了简单起见,这个控制器及有关装置,在现有技术中是已知的,就不再示于图3。控制器的有些任务可以由集成到供电系统2组件例如逆变器模块11、12、13、整流器/充电器模块5或开关模块30中的辅助控制器来完成。
逆变器模块的数量可以各不相同,视所需最大功率和所需冗余度而定。同样,备用电源数可以减少到只有一个,或增加到三个或更多个;如果不用电池,也可采用其它电源,例如电力电容器等。如上所述,检测标准电源故障的检测电路可以用不同方式布置或分布。逆变器模块中开关器件的布置也是如此。
在按照本发明的模块化不间断供电系统中,电池和整流器/充电器模块可以用任何其它类型的适当DC电源来代替(例如太阳能变换器、燃料电池等)。
总之,应指出,本发明创造了一种可靠且成本合算的供电装置。

Claims (10)

1.一种供电装置(1),具有:第一输入端(40),用于连接到第一电源;至少一个第二输入端(20),用于连接到至少一个第二电源;以及用于连接到负载的输出端(50),
a)所述装置(1)包括至少两个并联的逆变器模块(11、12、13),它们由所述至少一个第二输入端(20)供电;以及
b)每个所述逆变器模块(11、12、13)包括内部开关(11a、12a、13a),所述内部开关用于将连接从各自的逆变器模块(11、12、13)转接到所述负载,
其特征在于:
c)所述装置还包括静态开关模块(30),用于将连接从所述第一电源转接到所述负载,以及
d)所述供电装置(1)能够通过以下操作从离线模式切换到在线模式:闭合所述逆变器模块(11、12、13)的所述内部开关(11a、12a、13a)以使所述逆变器模块(11、12、13)连接到用于连接到所述负载的所述输出端(50),并打开所述静态开关模块(30)的开关器件(31)以将用于连接到所述负载的所述输出端(50)与所述第一输入端(40)断开,在所述离线模式,直接从所述第一电源通过所述静态开关模块(30)的闭合开关器件(31)向用于连接到所述负载的所述输出端(50)供电,并且所述逆变器模块(11、12、13)的所述内部开关(11a、12a、13a)是打开的,所述内部开关(11a、12a、13a)的闭合发生得非常迅速,以使电源故障时用于连接到所述负载的所述输出端(50)始终有供电。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于:每个所述逆变器模块(11、12、13)的输出端始终连接到用于连接到所述负载的所述输出端(50)。
3.如权利要求2所述的装置,其特征在于:控制所述逆变器模块(11、12、13),以使只要所述负载由所述第一电源供电,每个所述逆变器模块(11、12、13)的所述内部开关(11a、12a、13a)就打开,并且在所述负载处一检测到电源故障,所述内部开关(11a、12a、13a)就闭合。
4.如权利要求3所述的装置,其特征在于:每个所述逆变器模块(11、12、13)包括检测电路(11c、12c、13c),所述检测电路连接到所述逆变器模块(11、12、13)的输出端,以便检测所述负载处的电源故障。
5.如权利要求1所述的装置,其特征在于:第一输入端(40)适于连接到AC电源,并且至少一个第二输入端(20)适于连接到DC电源(3、4)。
6.如权利要求5所述的装置,其特征在于:所述DC电源(3、4)是电池。
7.一种模块化不间断供电系统(2),包括如权利要求5所述的供电装置(1),还包括DC电源(3、4),所述DC电源连接到多个并联逆变器模块(11、12、13)的输入端。
8.一种逆变器模块(11、12、13),用于如权利要求1所述的供电装置(1),具有用于连接DC电源的输入端和用于连接AC负载的输出端,包括逆变器电路(11b、12b、13b)和用于将连接从所述输入端转接到所述输出端的内部开关(11a、12a、13a),所述内部开关(11a、12a、13a)能够非常迅速地闭合,以使用于连接到所述负载的所述输出端(50)始终有供电。
9.如权利要求8所述的逆变器模块,其特征在于:所述内部开关(11a、12a、13a)连接在所述逆变器电路(11b、12b、13b)和所述输出端之间。
10.如权利要求8所述的逆变器模块,其特征在于:连接到所述输出端的检测电路(11c、12c、13c),用以检测所述负载处的电源故障,由此控制所述逆变器模块(11、12、13),以使一检测到所述电源故障,所述内部开关(11a、12a、13a)就闭合。
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