CN209844635U - 一种智能冗余电源转换装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种智能冗余电源转换装置，包括第一和第二交流电源、第一和第二静态开关组、四极式和单极式转换开关；所述四极式转换开关一端分别与第一交流电源各相、第二交流电源各相及中性线连接，另一端与负载连接；单极式转换开关一端与第一交流电源和第二交流电源的中性线连接，另一端与负载中性线连接；所述第一交流电源各相与第一静态开关组之间分别设置有第一电压和电流检测模块，所述第二交流电源各相与第二静态开关组之间分别设置有第二电压和电流检测模块；通过电压和电流检测模块对输入电源的电压和电流的实时检测，实现了不间断供电，同时通过四极式和单极式转换开关的配合使用，实现了中性线的重叠转换，减少了触电事故的发生。
Description
技术领域
本公开涉及一种智能冗余电源转换装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
电能质量是供用电双方关注的重要问题，它直接影响负荷的正常运行，为提高供电可靠性，大型工业企业内部往往设置有备用电源或者备用发电机，当一路电源发生如断电、缺相、过压、欠压等故障时，利用自动转换开关能实现在常用电源和备用电源之间进行切换，以保证供电可靠性。
为避免两路电源出现短路，自动转换开关在切换负荷过程中往往先切断一路电源再闭合另外一路电源，此切换策略确实使两路电源完全隔离。但是发明人在研究中发现：(1)目前多采用电压有效值比较方法进行输入电源的检测，此方法会出现交流输入电源异步时，不能及时切换，产生供电间断，即使输入电源同步，在带感性负载或容性负载时，因为电流与电压的相位不同，仍然会因双向可控硅不能立即导通造成供电间断；(2)在TN-C供电系统中，地线与零线合并为一根线，在转换过程中，设备接地点电位未知，可能造成触电事故；(3)在电源转换过程中负荷侧中性线出现短时悬空，电位可能会被抬高，导致一些敏感电子设备被击穿烧毁。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种智能冗余电源转换装置，通过电压检测模块和电流检测模块对输入电源的电压和电流的实时检测，实现了不间断供电，同时通过四极式转换开关和单极式转换开关的配合使用，实现了中性线的重叠转换，减少了触电事故的发生。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种智能冗余电源转换装置，包括第一交流电源、第二交流电源、第一静态开关组、第二静态开关组和四极式转换开关；所述四极式转换开关一端分别与第一交流电源各相、第二交流电源各相及中性线连接，另一端与负载连接；所述第一静态开关组的一端与第一交流电源各相连接，另一端与对应相负载连接，所述第二静态开关组的一端与第二交流电源各相连接，另一端用于与对应相负载连接；
所述第一交流电源各相与第一静态开关组之间分别设置有第一电压检测模块和第一电流检测模块，所述第二交流电源各相与第二静态开关组之间分别设置有第二电压检测模块和第二电流检测模块。
作为可能的一些实现方式，还包括单极式转换开关，所述单极式转换开关一端与第一交流电源和第二交流电源的中性线连接，另一端与负载中性线连接。
作为可能的一些实现方式，还包括第一驱动模块和第二驱动模块，所述第一驱动模块与第一静态开关组连接，用于驱动第一静态开关组的开闭，所述第二驱动模块与第二静态开关组连接，用于驱动第二静态开关组的开闭。
作为可能的一些实现方式，所述四极式转换开关和单极式转换开关均为手自一体转换开关。
作为可能的一些实现方式，还包括处理器，所述处理器与第一电压检测模块、第一电流检测模块、第二电压检测模块、第二电流检测模块连接、四极式转换开关、单极式转换开关、第一驱动模块和第二驱动模块连接，用于接收第一和第二交流输入电源的电压和电流检测值，并根据设定的电压和电流阈值控制四极式转换开关、单极式转换开关、第一静态开关组和第二静态开关组的开合。
作为可能的一些实现方式，所述单片机采用AT89C51单片机，第一电压检测模块、第一电流检测模块、第二电压检测模块和第二电流检测模块分别通过ADC0804与单片机连接。
作为可能的一些实现方式，所述第一静态开关组和第二静态开关组分别包括三组并联的静态开关，所述静态开关为两个反并联连接的晶闸管。
作为可能的一些实现方式，所述晶闸管为可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。
作为可能的一些实现方式，所述第一电压检测模块和第二电压检测模块均采用HT70xx系列电压检测芯片。
作为可能的一些实现方式，第一电流检测模块和第二电流检测模块均采用MAX471系列电流检测芯片。
作为可能的一些实现方式，还包括固定支架、显示屏、操作按钮、指示灯、外壳、双电源输入端、第一输出接口、第二输出接口和通信串口，所述显示屏用于显示运行参数；所述手动操作按钮包括第一按钮和第二按钮，所述第一按钮用于手动实现四极式转换开关的转换，所述第二按钮用于手动实现单极式转换开关的转换；所述指示灯用于显示运行状态，所述第一输出接口为C13输出接口，所述第二输出接口为C19输出接口。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的智能冗余电源转换装置的标准切换时间为4ms，切换时间短，切换方式是先断后通，此切换模式可确保两路电源在任何电力环境中不会产生并联，这样既能扩散故障电流，也不会在产生节点效应，可靠性较高。
2、在使用本电源不会造成服务器、工作站及网络设备类负载断电，既能对负载可靠供电，又能保证在不同相切换时的安全性。
3、将本电源应用在自动化信息机房以及其他对电源中断敏感的设备上时，还可通过通信串口实现远程管理和查阅设备运行情况等功能。
4、本公开所述的智能冗余电源转换装置通过在输入电源的各相设置电压检测模块和电流检测模块，从而使得静态开关的触发功率小，以往技术的触发电路360°全周期覆盖触发，脉冲变压器持续工作，需要的功率一般≥2W，静态开关的触发端会发热，使用该电源装换装置，触发电路持续40°阶段触发，需要的功率一般≤1W，SCR的触发端不会发热。
4、本公开所述的智能冗余电源转换装置，若第一交流电源发生异常，单极式转换开关在四极式转换开关由第一交流电源切换至第二交流电源后再转换，可确保中性线重叠转换；若不需要重叠转换，可使两个开关同时动作，因此，本公开所述的中性线不仅能重叠转换，而且可以根据用户需求配置，灵活改变切换方式。
5、本公开所述的智能冗余电源转换装置，静态开关和单极式、四极式转换开关采用并联结构，交替工作：稳态时由机械式开关工作导通，机械触头的导通电阻小，因此大电流流过触点发热量很小，不需要额外的散热装置；发生转换时，静态开关动作，开关时间远小于机械开关固有合闸时间，可快速导通和关断负荷电流，并且动作过程不会产生电弧，延长了开关寿命。
6、本公开所述的智能冗余电源转换装置适用范围广泛，针对不同的电源和负荷，装置能够采取不同的切换策略以适应不同的需求：若要求电源不能产生环流，装置需要采取先断后合的切换策略；若要求负荷不间断供电，则需要采取先合后断的切换策略。
7、本公开所述的内容通过对输入电源的有效检测和多个机械式开关的组合使用，实现了更加高效、安全的电源转换方式，通过对电源的检测和切换方式的双重优化，保证了电子设备的持续供电，极大的提高了设备的安全性，减少了安全隐患的发生。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的智能冗余电源转换装置的内部电路结构示意图。
图2为本公开实施例1所述的智能冗余电源转换装置的原理图。
图3为本公开实施例1所述的智能冗余电源转换装置的外观正视图。
图4为本公开实施例1所述的智能冗余电源转换装置的外观后视图。
1-第一静态开关组；2-第二静态开关组；3-四极式开关；4-单极式开关；5-第一驱动模块；6-第二驱动模块；7-第一电压检测模块；8-第一电流检测模块；9-第二电压检测模块；10-第二电流检测模块；11-固定支架；12-显示屏；13-按钮；1301-开关按钮；1302-四极式开关转换按钮；1303-单极式开关转换按钮；14-指示灯；15-外壳；16-第一输入接口；17-第二输入接口；18-C13输出接口；19-C19输出接口；20-通信串口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1-4所示，本公开提供了一种智能冗余电源转换装置，包括第一交流电源、第二交流电源、第一静态开关组1、第二静态开关组2和四极式转换开关3；所述四极式转换开关3一端分别与第一交流电源的XYZ三相集中性线、第二交流电源的XYZ及中性线连接，另一端与负载连接；所述第一静态开关组1的一端与第一交流电源的XYZ三相连接，另一端与对应相负载连接，所述第二静态开关组的一端与第二交流电源的XYZ三相连接，另一端用于与对应相负载连接；
所述第一交流电源各相与第一静态开关组1之间分别设置有第一电压检测模块7和第一电流检测模块8，所述第二交流电源各相与第二静态开关组之间分别设置有第二电压检测模块9和第二电流检测模块10。
还包括单极式转换开关4，所述单极式转换开关4一端与第一交流电源和第二交流电源的中性线连接，另一端与负载中性线连接。
还包括第一驱动模块5和第二驱动模块6，所述第一驱动模块5与第一静态开关组1连接，用于驱动第一静态开关组1的开闭，所述第二驱动模块6与第二静态开关组2连接，用于驱动第二静态开关组2的开闭。
所述四极式转换开关3和单极式转换开关4均为手自一体转换开关；还包括处理器，所述处理器与第一电压检测模块7、第一电流检测模块8、第二电压检测模块9、第二电流检测模块10、四极式转换开关3、单极式转换开关4、第一驱动模块5和第二驱动模块6连接，用于接收第一和第二交流输入电源的电压和电流检测值，并根据设定的电压和电流阈值控制四极式转换开关3、单极式转换开关4、第一静态开关组1和第二静态开关组2的开合。
所述单片机采用AT89C51单片机，第一电压检测模块7、第一电流检测模块8、第二电压检测模块9和第二电流检测模块10分别通过ADC0804与单片机连接。
所述第一静态开关组1和第二静态开关组2分别包括三组并联的静态开关，所述静态开关为两个反并联连接的晶闸管。
所述晶闸管为可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。
所述第一电压检测模块和第二电压检测模块均采用HT70xx系列电压检测芯片。
第一电流检测模块和第二电流检测模块均采用MAX471系列电流检测芯片。
还包括固定支架11、显示屏12、操作按钮13、指示灯14、外壳15、双电源输入端(16，17)、8路C13输出接口18、一路C19输出接口19和通信串口20，所述显示屏12用于显示运行参数；所述手动操作按钮包括第一按钮1301、第二按钮1302和第三按钮1303，所述第一按钮1301用于手动实现四极式3转换开关的转换，所述第二按钮1302用于手动实现单极式转换开关4的转换，所述第三按钮1303用于实现电源转换装置的开闭；所述指示灯14用于显示运行状态。
本实施例是在现有交流静态切换技术的基础上更改了检测方法，由原来的检测电压的方法变为检测电压及电流的方法，具体包括如下步骤：
(1)利用电压检测模块检测输入交流电源各相的电压信号有效值；
(2)利用电流检测模块检测输入交流电源各相的电流瞬时值，并计算其有效值；
(3)计算输入交流电源各相的交流电压有效值，当有效值超出额定范围后，进入准备切换状态；
(4)在准备切换状态中，检测欲切出回路的电流瞬时值，至基波过零点时，第一驱动模块停止触发第一静态开关组，判断电压相位差，反相时延时后，准备触发切入回路的双向可控硅，同相时不加延时；
(5)触发第一静态开关组时，判断其电流基波，过零点约40°后，至下一过零点区间，停止触发。
其中，交流输入电源异步时，切换时间≤4ms；交流输入电源同步时，切换时间为≤0.4ms；触发电路持续40°阶段触发，需要的功率≤1W；
同时通过四极式转换开关与单极式转换开关实现中性线连接的控制，以自动式转换开关为例，具体步骤为：
假设负载当前由第一交流电源供电，若检测出第一交流电源异常则启动转换；首先触发第一静态开关组导通，同时发出四极式转换开关与第一交流电源各相触头的分闸命令；待第一交流电源的各相触头与负载分离后撤销第一静态开关组的驱动信号，等待电力电子器件续流结束；然后发出第二静态开关组的驱动信号，使其导通，同时发四极式转换开关与第二交流电源各相触头合闸命令；待第二交流电源与四极式转换开关合闸后撤销第二静态静态开关驱动信号；最后发出单极式转换开关与第一交流电源的分闸命令，等待第一交流电源电源的中性线触头与负载中性线断开后，发出单极式转换开关与第二交流电源合闸命令，等待单极式转换开关与第二交流电源电源可靠合闸；负载与第二交流电源相连，电源转换完成。
若中性线不要求重叠转换，上述单极式转换开关与四极式转换开关同时动作。
单极式转换开关在四极式转换开关完成转换后再转换，可以确保中性线重叠转换；若不需要重叠转换，只需要使两个开关同时动作，配置灵活，降低了安全隐患。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能冗余电源转换装置，其特征在于，包括第一交流电源、第二交流电源、第一静态开关组、第二静态开关组和四极式转换开关；所述四极式转换开关一端分别与第一交流电源各相、第二交流电源各相及中性线连接，另一端与负载连接；所述第一静态开关组的一端与第一交流电源各相连接，另一端与对应相负载连接，所述第二静态开关组的一端与第二交流电源各相连接，另一端用于与对应相负载连接；
所述第一交流电源各相与第一静态开关组之间分别设置有第一电压检测模块和第一电流检测模块，所述第二交流电源各相与第二静态开关组之间分别设置有第二电压检测模块和第二电流检测模块。
2.如权利要求1所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，还包括单极式转换开关，所述单极式转换开关一端与第一交流电源和第二交流电源的中性线连接，另一端与负载中性线连接。
3.如权利要求2所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，还包括第一驱动模块和第二驱动模块，所述第一驱动模块与第一静态开关组连接，用于驱动第一静态开关组的开闭，所述第二驱动模块与第二静态开关组连接，用于驱动第二静态开关组的开闭。
4.如权利要求3所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，所述四极式转换开关和单极式转换开关均为手自一体转换开关。
5.如权利要求4所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，还包括处理器，所述处理器与第一电压检测模块、第一电流检测模块、第二电压检测模块、第二电流检测模块连接、四极式转换开关、单极式转换开关、第一驱动模块和第二驱动模块连接，用于接收第一和第二交流输入电源的电压和电流检测值，并根据设定的电压和电流阈值控制四极式转换开关、单极式转换开关、第一静态开关组和第二静态开关组的开合。
6.如权利要求3所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，所述第一静态开关组和第二静态开关组分别包括三组并联的静态开关，所述静态开关为两个反并联连接的晶闸管。
7.如权利要求6所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，所述晶闸管为可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。
8.如权利要求1所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，所述第一电压检测模块和第二电压检测模块均采用HT70xx系列电压检测芯片。
9.如权利要求1所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，第一电流检测模块和第二电流检测模块均采用MAX471系列电流检测芯片。
10.如权利要求2所述的智能冗余电源转换装置，其特征在于，还包括固定支架、显示屏、操作按钮、指示灯、外壳、双电源输入端、第一输出接口、第二输出接口和通信串口，所述显示屏用于显示运行参数；所述操作按钮包括第一按钮和第二按钮，所述第一按钮用于手动实现四极式转换开关的转换，所述第二按钮用于手动实现单极式转换开关的转换；所述指示灯用于显示运行状态，所述第一输出接口为C13输出接口，所述第二输出接口为C19输出接口。
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