TW201407929A - 交流備援電源系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種交流備援電源系統，主要係令一電源供應器透過一切換模組選擇與一主要交流電源或一備援交流電源連接，該切換模組並由一監控模組控制其切換動作；該監控模組主要係由一電源監測單元、一第一迴路開關、一第二迴路開關及一處理單元所組成，該第一、第二迴路開關並聯地連接於切換模組與電源供應器間的電源迴路上；當處理單元透過電源監測單元測得主要交流電流中斷，隨即使常閉的第一迴路開關斷開，並驅動切換模組與備援交流電源連接，而在備援交流電源到達零交越點，再接通電子式的第二迴路開關，使備援交流電源送至電源供應器；利用上述設計，可確保交流電源在零交越點切入電源供應器，且可避免在開關上產生火花及其衍生的積碳問題。

Description

交流備援電源系統

本發明係關於一種交流備援電源系統，尤指一種可確保交流電源在零交越點切入電源供應器，且在切換時不虞產生電弧、積碳損耗問題。

為確保供電的穩定性，高規格的電源系統都有所謂的冗餘設計，所謂冗餘電源系統主要是由二個以上電源模組協同工作，當其中一個電源模組故障而無法正常供電時，另一電源模組可以馬上接替故障電源模組的工作；而前述冗餘設計一般是對負載而言，對於電源系統的輸入電源而言，通常只有單一的交流電源輸入，因此一旦交流電源異常，電源系統即使有冗餘設計，也無法對負載供電。

為解決上述問題，一種具有交流備份功能之電源供應器即應運而生，其如圖3所示，包括第一至第三直流電源供應模組71~73及一切換電路70；其中：第一至第三直流電源供應模組71~73的輸出端係並聯地對負載供電，其中第一、第二直流電源供應模組71、72的輸入端分別與第一、第二交源電源AC1、AC2連接；該切換電路70具有第一至第三繼電器701~703，第三繼電器703係二對一形式，其具有二輸入端及一輸出端，兩輸入端分別和第一、第二繼電器701、702連接，其輸出端則與第三直流電源供應模組73的輸入端連接，而第一、第二繼電器701、702的輸入端係分別與第一、第二交流電源AC1、 AC2連接。

當第一、第二交流電源AC1、AC2供電正常時，其分別供電給第一、第二直流電源供應模組71、72，其中第一交流電源AC1並通過第一、第三繼電器701、703供電給第三直流電源供應模組73，因此第一至第三直流電源供應模組71~73將並聯輸出。

若第一交流電源AC1中斷，則第一繼電器701斷開，第二繼電器702由開路轉閉路，第三繼電器703則切換與第二繼電器702連接，此時第一直流電源供應模組71因第一交流電源AC1中斷而停止工作；第二直流電源供應模組72因第二交流電源AC2正常而維持工作；第三直流電源供應模組73透過第三、第二繼電器703、702自第二交流電源AC2取得電源，而與第二直流電源供應模組71、72並聯工作。

儘管前述專利案在說明書中特別強調切換電路70的切換動作必須在交流電源交變至零交越點(Zero-crossing)時為之，以避免切換時出現突波及產生火花。在具體的技術手段上，並利用微處理器對交流電源進行偵測，期望微處理器能精準控制繼電器在零點進行切換。然而，前述專利案係採用繼電器作為切換元件，而繼電器屬於機械式開關，其存在反應延遲(Time delay)問題，即使微處理器偵測到交越零點，但實際反應到繼電器作切換動作時，交流電源已非交越零點。由於切換時已非零點，切換突波及切換時產生火花，從而造成積碳耗損的問題並無法有效解決。

由上述可知，針對輸入交流電源提供備援方案，在實 際運用上有其必要性，但在切換交流電源時，前述專利法所呈現的既有技術，並無法確實作到零點切換，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種交流備援電源系統，其可確保交流電源在零點切換，且在切換時不虞產生電弧，從而可避免損耗問題。

為達成前述目的採取的技術手段係令前述交流備援電源系統包括一電源供應器、一切換模組及一監控模組；其中：該電源供應器具有一輸入電源迴路；該切換模組具有一第一切換單元及一第二切換單元，該第一、第二切換單元的輸入端分別與一主要交流電源及一備援交流電源連接；該第一、第二切換單元的輸出端係可切換地與電源供應器的輸入電源迴路連接；該監控模組包括：一處理單元；一電源監測單元，具有輸入端及輸出端，其輸入端分別與主要、備援交流電源連接，其輸出端係與處理單元連接；一第一迴路開關，係受處理單元控制啟閉，其串接於切換模組與電源供應器間的輸入電源迴路上；一第二迴路開關，係一電子式開關，其受處理單元控制通斷，與前述第一迴路開關並聯；前述交流備援電源系統在常態下只由主要交流電源透 過切換模組的第一切換單元及第一迴路開關對電源供應器供電；而監控模組的處理單元則透過電源監測單元隨時監測主要交流電源及備援交流電源的狀態，當主要交流電源異常或中斷，處理單元將使常閉的第一迴路開關及切換模組的第一切換單元斷開後，再接通第二切換單元，使切換模組改與備援交流電源連接，另一方面，處理單元將偵測預備供電的備援交流電源是否到達零交越點，當到達零交越點時，即接通第二迴路開關，此時備援交流電源將通過切換模組的第二切換單元、第二迴路開關供電給電源供應器，由於第二迴路開關為電子式開關，因此可確實地在零交越點處作切換；而在電源穩定後，再由處理單元接通第一迴路開關，並斷開第二迴路開關；當主要交流電源恢復供電，則循上述方式，仍先使閉合的第一迴路開關及第二切換單元斷開，並偵測主要交流電源是否到達零交越點，當到達零交越點時，即接通第二迴路開關，此時備援交流電源將通過切換模組的第二切換單元、第二迴路開關供電給電源供應器，在電源穩定後，由處理單元接通第一迴路開關，並斷開第二迴路開關；利用前述技術，當有切換交流電源需求時，可確保交流電源係在零交越點處作切換，藉此可避免產生輸入突波，也可防止產生火花及衍生積碳損耗的問題。

關於本發明一較佳實施例的電路構造，首先請參閱圖1所示，主要係由一電源供應器10、一切換模組20及一監控模組30所組成；其中： 在本實施例中，該電源供應器10包括一濾波電路11、一整流電路12及一功率因數校正電路(PFC)13所組成，並可在功率因數校正電路13的輸出端進一步設有一直流對直流轉換電路(DC/DC)(本圖中未示)；又電源供應器10在整流電路12的輸入端上構成一輸入電源迴路；該切換模組20具有一第一切換單元21及一第二切換單元22，該第一、第二切換單元21、22的輸入端分別與一主要交流電源AC1及一備援交流電源AC2連接，又第一、第二切換單元21、22的輸出端則可切換地與電源供應器10的輸入電源迴路連接；在本實施例中，該切換模組20進一步在第一、第二切換單元21、22與電源供應器10之間設有一第三切換單元23；其中：該第一切換單元21主要係由兩繼電器REL1、REL2組成，兩繼電器REL1、REL2分別具有一共同端，且分別與一主要交流電源AC1的兩電源線L,N連接，又兩繼電器REL1、REL2分別具有一常開接點及一常閉接點；該第二切換單元22主要係由兩繼電器REL3、REL4組成，兩繼電器REL3、REL4分別具有一共同端，且分別與一備援交流電源AC2的兩電源線L,N連接，又兩繼電器REL3、REL4分別具有一常開接點及一常閉接點；該第三切換單元23仍主要由兩個連動的繼電器REL5、REL6組成，兩繼電器REL5、REL6分別具有一共同端，且同時與電源供應器10的輸入電源迴路連接，又兩繼電器REL5、REL6分別具有一常開接點及一常閉接點，且分別與第一、第二切換單元21、22的繼電器REL1~REL4 的常開接點、常閉接點連接；藉此，該切換模組20將在監控模組20的控制下，選擇由主要交流電源AC1或備援交流電源AC2連接電源供應器10的輸入電源迴路。

該監控模組30包括：一處理單元31，可分別控制切換模組20各切換單元的切換，且接收電源供應器10的交流訊號，在本實施例中，該處理單元31主要由一第一處理器311及一第二處理器312組成，該第一處理器311與第二處理器312係透過一光耦合器313相連接；其中第一處理器311是透過一交流訊號檢測電路310分別與電源供應器10的濾波電路11輸出端及整流電路12的輸出端連接，以取得其交流訊號；一電源監測單元32，具有輸入端及輸出端，其輸入端分別與主要、備援交流電源AC1、AC2連接，其輸出端係與處理單元31連接；於本實施例中，該電源監測單元32包括一第一檢測器321及一第二檢測器322，該第一、第二檢測器321、322的輸入端分別與主要交流電源AC1及備援交流電源AC2連接，該第一、第二檢測器321、322的輸出端分別透過一光耦合器323、324與處理單元31的第一處理器311連接。

一第一迴路開關33，係受處理單元31控制啟閉，其常閉地串接於切換模組20與電源供應器10間的輸入電源迴路上；在本實施例中，該第一迴路開關33係由一繼電器REL 7所構成，並受處理單元31的第一處理器311控制其啟閉；一第二迴路開關34，係一電子式開關且串接在切換模組20與電源供應器10間的輸入電源迴路上，而與前述第一 迴路開關33並聯；該第二迴路開關34係由處理單元31控制通斷。在本實施例中，該第二迴路開關34係由一交流矽控器(TRIAC)所構成，其用以控制通斷的閘極係透過一驅動電路340與第一處理器311連接，亦即由第一處理器311透過驅動電路340控制第二迴路開關34的通斷。

除上述各個模組外，本發明進一步包括一電源模組40，以供應監控模組30電源；該電源模組40主要由兩個電源轉換器41、42組成，其輸入端分別與主要交流電源AC1及備援交流電源AC2連接，其輸出端則分別連接至第一、第二檢測器321、322與第一、第二處理器311、312連接，以供應其工作時所需的電源。於本實施例中，兩電源轉換器41、42分別為一馳返式電源轉換器。

至於上述交流備援電源系統的工作原理詳如以下所述(請配合圖2所示)：當主要交流電源AC1及備援交流電源AC2均正常時(t0)，電源監測單元30的第一、第二檢測器321、322分別檢出其電源訊號，並將檢測正常訊號AC1_OK、AC2_OK(低電位)傳送給第一處理器311(t1)，但備援交流電源AC2暫不供電；此時，第三切換單元23的繼電器REL5、REL6為常閉狀態，且與第一切換單元21連接，而第一切換單元21的繼電器REL1、REL2則由第一處理器311驅動後切換而與第三切換單元23連接，且第一迴路開關33亦由第一處理器311驅動後閉合，而使主要交流電源AC1通過第一、第三切換單元21、23及第一迴路開關33傳送電源給電源供應器10，此時功率因數校正電路13的升壓電容(圖 中未示)開始充電，其輸出電壓(PFC_Bulk)開始提高，並為第一處理器311所檢知。

當主要交流電源AC1中斷或異常(t2)，第一檢測器321停止送出檢測正常訊號AC1_OK給第一處理器311，第一處理器311經數個ms確認後，將使閉合的第一迴路開關33先行斷開，此時即無能量進入電源供應器10，自無電流通過第一迴路開關33，故可避免在第一迴路開關33上產生火花，進而可解決在開關上產生火花所衍生積碳的問題。由於第一迴路開關33斷開，功率因數校正電路13的輸出電壓(PFC_Bulk)因而持續下降。

接著第一處理器311使第一切換單元21切離第三切換單元23，並使第二切換單元22與第三切換單元23連接，藉此備援交流電源AC2處於預備供電狀態(t4)。由於此時第一、第二迴路開關33、34均為非接通狀態，故無能量流入電源供應器10，而第一處理器311將由第二檢測器322檢測備援交流電源AC2是否到達零交越點(t5)。當到達零交越點時，第一處理器311隨即通過驅動電路340觸發第二迴路開關34導通，而第三切換單元23隨即通過第二迴路開關34與電源供應器10輸入電源迴路接通，由於第二迴路開關34為電子式開關，因此可確實地在零交越點處作切換；此時電源供應器10的功率因數校正電路13輸出電壓(PFC_Bulk)又開始升高。而在電源穩定後(本實施例為第二迴路開關34導通50ms後)，第一處理器311將接通第一迴路開關33，並使第二迴路開關34截止(t6)，恢復由第一迴路開關33接通電源供應器10的輸入電源迴路，並由備援交 流電源AC2持續供給電源供應器10電源(t7)。在前述動作過程中，當電源穩定後，即恢復由第一迴路開關33接通電源供應器10的輸入電源迴路，意即第二迴路開關34係作為一中繼開關；如是設計的原因在於通過電子式的第二迴路開關34接通電源迴路其損耗大於繼電器構成的第一迴路開關33，因此在電源穩定後，恢復由第一迴路開關33接通電源供應器10的輸入電源迴路，可減少電力損耗。再者，由於第二迴路開關34的導通電壓甚低，因此在第一迴路開關33切回時，受第二迴路開關34箝位所影響，其導通的電壓亦小，因而可有效避免在第一迴路開關33上產生火花及其衍生的積碳問題。

當主要交流電源AC1恢復供電，可維持由備援交流電源AC2供電，當備援交流電源AC2異常或中斷，則循上述步驟切回由主要交流電源AC1供電，其步驟如下：在備援交流電源AC2中斷或異常(t8)，第二檢測器322停止送出檢測正常訊號AC2_OK給第一處理器311，第一處理器311經數個ms確認後，將使閉合的第一迴路開關33先行斷開，以阻斷能量進入電源供應器10，如前揭所述，先行斷開第一迴路開關33，可避免電流通過時產生火花，進而可防止在開關上積碳。由於第一迴路開關33斷開，故功率因數校正電路13的輸出電壓(PFC_Bulk)將下降。

接著第一處理器311使第二切換單元22切離第三切換單元23，並切換第三切換單元23使其與第一切換單元21連接，藉此令主要交流電源AC1處於預備供電狀態(t9)。第一處理器311將由第一檢測器321檢測主要交流電源AC1 是否到達零交越點。當到達零交越點時，第一處理器311隨即通過驅動電路340觸發第二迴路開關34導通，而第三切換單元23隨即通過第二迴路開關34與電源供應器10輸入電源迴路接通，電源供應器10的功率因數校正電路13輸出電壓(PFC_Bulk)因而開始升高。而在電源穩定後(本實施例為第二迴路開關34導通50ms後)，再由第一處理器311接通第一迴路開關33，並使第二迴路開關34截止(t10)，恢復由第一迴路開關33接通電源供應器10的輸入電源迴路，並由主要交流電源AC1持續供給電源供應器10電源。

如前揭所述，利用第二迴路開關34作為一中繼開關，可確保在零交越點處作切換，而在電源穩定後，恢復由第一迴路開關33接通電源迴路係可減少電力損耗。再者，由於第二迴路開關34的導通電壓低，因而在第一迴路開關33切回時，將受第二迴路開關34箝位所影響，而使其導通的電壓亦小，因而可有效避免在第一迴路開關33上產生火花及其衍生的積碳問題。

由上述可知，本發明的交流備援電源系統可提供一主要交流電源、一備援交流電源交替地為電源供應器供給電源，而在主要交流電源與備援交流電源作切換時，係由電子式的第二迴路開關準確地在零交越點處作切換，其切換時，由繼電器構成的第一迴路開關係處於斷開狀態，故而無電流通過；另一方面，在電源穩定後，第一迴路開關切回電源迴路，則因受第二迴路開關箝位影響，其通過電壓小，故可有效避免產生火花及衍生積碳損耗的問題。

10‧‧‧電源供應器

11‧‧‧濾波電路

12‧‧‧整流電路

13‧‧‧功率因數校正電路

20‧‧‧切換模組

21‧‧‧第一切換單元

22‧‧‧第二切換單元

23‧‧‧第三切換單元

30‧‧‧監控模組

31‧‧‧處理單元

310‧‧‧交流訊號檢測電路

311‧‧‧第一處理器

312‧‧‧第二處理器

313‧‧‧光耦合器

32‧‧‧電源監測單元

321‧‧‧第一檢測器

322‧‧‧第二檢測器

323、324‧‧‧光耦合器

33‧‧‧第一迴路開關

34‧‧‧第二迴路開關

340‧‧‧驅動電路

40‧‧‧電源模組

41、42‧‧‧電源轉換器

70‧‧‧切換電路

701‧‧‧第一繼電器

702‧‧‧第二繼電器

703‧‧‧第三繼電器

71‧‧‧第一直流電源供應模組

72‧‧‧第二直流電源供應模組

73‧‧‧第三直流電源供應模組

圖1 為本發明一較佳實施例的電路圖。

圖2 為本發明一較佳實施例的時序圖。

圖3 為既有具交流備用功能的電源供應裝置的電路方塊圖。

10‧‧‧電源供應器

11‧‧‧濾波電路

12‧‧‧整流電路

13‧‧‧功率因數校正電路

20‧‧‧切換模組

21‧‧‧第一切換單元

22‧‧‧第二切換單元

23‧‧‧第三切換單元

30‧‧‧監控模組

31‧‧‧處理單元

310‧‧‧交流訊號檢測電路

311‧‧‧第一處理器

312‧‧‧第二處理器

313‧‧‧光耦合器

32‧‧‧電源監測單元

321‧‧‧第一檢測器

322‧‧‧第二檢測器

323、324‧‧‧光耦合器

33‧‧‧第一迴路開關

34‧‧‧第二迴路開關

340‧‧‧驅動電路

40‧‧‧電源模組

41、42‧‧‧電源轉換器

Claims (10)

1. 一種交流備援電源系統，包括一電源供應器、一切換模組及一監控模組；其中：該電源供應器具有一輸入電源迴路；該切換模組具有一第一切換單元及一第二切換單元，該第一、第二切換單元的輸入端分別與一主要交流電源及一備援交流電源連接；該第一、第二切換單元的輸出端係可切換地與電源供應器的輸入電源迴路連接；該監控模組包括：一處理單元；一電源監測單元，具有輸入端及輸出端，其輸入端分別與主要、備援交流電源連接，其輸出端係與處理單元連接；一第一迴路開關，係受處理單元控制啟閉，其串接於切換模組與電源供應器間的輸入電源迴路上；一第二迴路開關，係一電子式開關，其受處理單元控制通斷，與前述第一迴路開關並聯；其中當輸入電源迴路的輸入電源異常時，處理單元將先斷開第一迴路開關，在輸入電源迴路無電流通過的狀態下接通第二迴路開關。
2. 如請求項1所述之交流備援電源系統，第一迴路開關主要係由一繼電器構成；該第二迴路開關主要係由一交流矽控制器構成，其閘極係透過一驅動電路與監控模組的處理單元連接。
3. 如請求項2所述之交流備援電源系統，該切換模組進一步在第一、第二切換單元與電源供應器之間設有一第 三切換單元；其中：該第一切換單元主要係由兩繼電器REL1、REL2組成，兩繼電器REL1、REL2分別具有一共同端，且分別與一主要交流電源的兩電源線接，又兩繼電器REL1、REL2分別具有一常開接點及一常閉接點；該第二切換單元主要係由兩繼電器REL3、REL4組成，兩繼電器REL3、REL4分別具有一共同端，且分別與一備援交流電源的兩電源線連接，又兩繼電器REL3、REL4分別具有一常開接點及一常閉接點；該第三切換單元主要由兩個連動的繼電器REL5、REL6組成，兩繼電器REL5、REL6分別具有一共同端，且與電源供應器的輸入電源迴路連接，又兩繼電器REL5、REL6分別具有一常開接點及一常閉接點，且分別與第一、第二切換單元的繼電器REL1,REL2、REL3,REL4的常開接點、常閉接點連接。
4. 如請求項3所述之交流備援電源系統，該電源供應器主要係由一濾波電路、一整流電路及一功率因數校正電路組成；該監控模組的處理單元係透過一交流訊號檢測電路分別與濾波電路與整流電路的輸出端連接。
5. 如請求項1至4中任一項所述之交流備援電源系統，該監控模組的處理單元包括相互連接的一第一處理器與一第二處理器，該第一處理器分別與電源監測單元與切換模組連接。
6. 如請求項5所述之交流備援電源系統，該監控模組 的電源監測單元包括一第一檢測器及一第二檢測器，該第一、第二檢測器的輸入端分別與主要交流電源、備援交流電源連接，該第一、第二檢測器的輸出端與處理單元的第一處理器連接。
7. 如請求項6所述之交流備援電源系統，該第一、第二檢測器係分別透過一光耦合器與第一處理器連接；該第一處理器係透過一光耦合器與第二處理器連接。
8. 如請求項7所述之交流備援電源系統，進一步包括一電源模組，該電源模組包括兩電源轉換器，兩電源轉換器的輸入端分別與主要交流電源及備援交流電源連接，其輸出端則分別連接至第一、第二檢測器與第一、第二處理器連接。
9. 如請求項8所述之交流備援電源系統，兩電源轉換器為一馳返式電源轉換器。
10. 如請求項5所述之交流備援電源系統，該第一迴路開關係由處理單元的第一處理器控制其啟閉。