TW201501441A - 不斷電系統電壓異常保護電路 - Google Patents

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Abstract

　　本發明提出一種不斷電系統電壓異常保護電路，其具有依序連接的一整流單元、一濾波單元、一電池單元、至少一電壓調整單元及至少二電壓監控單元，其中，該電壓調整單元包括至少一降壓元件及一並聯於該降壓元件的旁路開關單元，該電壓監控單元連接該電壓調整單元之輸入側與輸出側，用以監測該電壓調整單元之輸入側與輸出側的電壓，以控制設於該外部電源一側的整流單元、斷電開關及旁路開關單元，藉此，克服現有不斷電系統中的監控電路仍不夠完善的缺失，提供不斷電系統具有穩定的品質與安全。

Description

不斷電系統電壓異常保護電路
　　本發明涉及一種直流供電設備電壓異常保護系統，尤指一種用以控制直流供電設備於負載電壓之電路。
　　在市電正常的情況下，不斷電系統連接於市電，通常以SCR（矽控整流器）作為整流器，即可對負載端進行供電，同時，更可以較高的電壓對備援電池進行快速充電，但前述較高的電壓需再藉由如DC/DC電源轉換器的降壓裝置，以輸出符合負載端所需的用電電壓。
　　當市電發生停電時，不斷電系統將進行自動轉換，使負載端轉由備援電池供電，但若此時備援電池仍經由降壓裝置對負載端供電，備援電池的電力將持續地被消耗掉，負載端也會面臨在市電停電後不久就停機的窘境，因此，需要增設一旁路開關使電池經旁路開關對負載端繼續供電，但在僅設置單一旁路開關的情況下，若遇該旁路開關發生故障，則無法成功導通其旁路，造成供電失效。
　　又，當停電一段時間後市電又復電了，該不斷電系統以較高的電壓對電池進行快速充電且對負載端供電，若旁路開關沒有適時跟著市電復電而恢復關閉，將使電池側的高電壓直接經旁路開關對負載供電，而損毀負載端的設備，更甚者，該不斷電系統又會啟動其過電壓保護機制切斷整流器，更會加速地消耗備援電池的電力，終導致長時間供電失效。
　　綜上所述，由於負載端設備十分重要且昂貴，並且，備援電池也是一高成本的投資項目，因此，在不斷電系統中不論是遇上停電、再復電及一般正常運作時等三種狀況時，直流側都有可能發生過電壓或低電壓的異常，而習知此類直流供電設備的電壓異常保護電路並未對相關的異常狀況做整體的考量。
　　一個完善的保護電路需在停電時充分使用電池的電力、復電時保護負載不致過電壓，平時則預防整流器失效或外部電源過電壓造成對負載及電池的傷害。
　　本發明目的在於克服現有不斷電系統中的對電壓異常保護的電路仍不夠完善且可靠度不足的缺失。
　　根據前述之目的，本發明提出一種不斷電系統電壓異常保護電路，其包括有：一斷電開關，其連接該外部電源；一整流單元，其連接於該斷電開關，該整流單元於其輸出側輸出直流電壓；一濾波單元，其連接於該整流單元之輸出側；一電池單元，其連接於該整流單元之輸出側，並與該濾波單元並聯設置；至少一電壓調整單元，其包括至少一降壓元件及一並聯於該降壓元件的旁路開關單元，其中，該降壓元件串聯於該電池單元與負載端之間，該旁路開關單元包括至少二並聯的旁路開關串聯至少一旁路開關；以及至少二電壓監控單元，其分別連接該電壓調整單元之輸入側與輸出側。
　　本發明特點在於，將電壓調整單元內的元件及電壓監控單元雙重化，避免控制失效，提高整體監控功能的可靠度，確保不致於發生過電壓燒毀電池或負載設備，或低電壓停機的意外。
1‧‧‧整流單元
2‧‧‧濾波單元
3‧‧‧電池單元
31‧‧‧無熔絲開關
32‧‧‧保險絲
33‧‧‧電池
4‧‧‧電壓調整單元
41a~41n‧‧‧降壓元件
42‧‧‧旁路開關單元
42a、42b、42c、42d‧‧‧旁路開關
5、5a、5b‧‧‧電壓監控單元
6‧‧‧斷電開關
7‧‧‧外部電源
8‧‧‧負載端
9‧‧‧保險絲
a‧‧‧第一節點
b‧‧‧第二節點
c‧‧‧第三節點
D1、D2‧‧‧二極體
E‧‧‧不斷電系統電壓異常保護電路
F‧‧‧直流匯流排
S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧手動有載電流切換開關
第1圖：本發明架構圖。
第2圖：本發明監控節點單線架構示意圖（一）。
第3圖：本發明監控節點單線架構示意圖（二）。
第4圖：本發明另一實施例監控單線架構示意圖。
第5圖：本發明第三實施例雙機式電路單線架構示意圖。
　　以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明本發明的結構及其如何組合、使用，應當更容易瞭解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。
　　請參照第1圖及第2圖所示，本發明不斷電系統電壓異常保護電路E，其架構上主要包括有一整流單元1、一濾波單元2、一電池單元3、一電壓調整單元4、一電壓監控單元5及一斷電開關6。
　　請參照第1圖及第2圖所示，首先，說明本發明關於用以提供電源的電路結構及功效，其中，該斷電開關6連接於如市電的該外部電源7一側，且該斷電開關6設為常閉（Normally Closed，導通），其中，該斷電開關6亦可再串聯一保險絲9而連接至該整流單元1，藉此，該斷電開關6作為可被控制切斷如過電壓的重大故障，該斷電開關6可為如電磁開關或無熔絲開關（NFB）的可控電子式開關，本實施例中以無熔絲開關實施；
　　該整流單元1可為矽控整流器（SCR）或絕緣柵雙極電晶體（IGBT）的可控半導體開關實施，該整流單元1連接於該斷電開關6，並於其輸出側輸出直流電壓；該濾波單元2在本實施例中以一電容器並聯連接於該整流器1之輸出側，為濾波之用；該電池單元3連接於該整流器1之輸出側，並與該濾波單元2呈並聯設置，其中，該電池單元3以串聯的一無熔絲開關31、一保險絲32及一電池33實施；其中，該濾波單元2一側及該電池單元3一側個別具有一手動有載電流切換開關S1、S2，可方便工程人員於檢修時作隔離之用，該手動有載電流切換開關S1可用以隔離該電池單元3的電力，該手動有載電流切換開關S2可用以隔離整流單元1側的電力。
　　接續著，請一併參照第3圖所示，說明本發明關於用以監控電壓的電路結構及功效，其中，因為負載端8常需要較大的啟動電流，故該電壓調整單元4在本實施例中不採用較無法提供瞬間大電流的DC/DC電源轉換器，乃以包括複數降壓元件41a~41n及一並聯於該些降壓元件41a~41n的旁路開關單元42實施，該些降壓元件41a~41n呈串聯設置於該電池單元3與負載端8之間，該旁路開關單元42並聯於降壓元件41a~41n，而本實施例中旁路開關單元42以二並聯的旁路開關42a、42b再串聯二串聯的旁路開關42c、42d為實施，該些旁路開關42a、42b、42c、42d分別以如電磁開關的可控電子式開關實施，且該些旁路開關42a、42b設為常開（Normally Open，不導通），42c、42d設為常閉，使該電壓調整單元4可作為調整負載端8電壓之用，其中，該電壓調整單元4一側亦具有一手動有載電流切換開關S3，供隔離電壓調整單元4與其他元件並方便工程人員檢修；
　　為避免當整流單元1發生元件故障或斷電開關6發生機構故障卡死，且同時電壓監控單元5（如第1圖所示）又恰巧故障，以致於無法切斷與外部電源7的連接而發生過電壓，傷及電池單元3或負載端8設備的狀況，故以如第2圖所示設置兩組的電壓監控單元5a、5b，其中，該些電壓監控單元5a、5b係分別連接於該電壓調整單元4之輸入側與輸出側，即第一節點a及第二節點b，以偵測該電壓調整單元4之輸入側與輸出側的電壓值，該些 電壓監控單元5a、5b內分別具有個別控制該斷電開關6、該整流單元1、該個別的旁路開關42a、42b、42c、42d的驅動電路（圖未示出），以適時控制該斷電開關6、該整流單元1及該旁路開關單元42，並且，為使該些電壓監控單元5a、5b能夠更準確地測知目前旁路開關42a、42b、42c、42d的狀態，可進一步將該些旁路開關42a、42b、42c、42d的狀態輔助接點（圖未示出）納入與電壓監控單元5a、5b連接，使本發明整體達到更精確的監控效果。
　　以下請繼續參照第1圖至第3圖所示，說明本發明在不同異常狀況下之運作流程。
　　不斷電系統在無異常狀態時，外部電源7透過整流單元1對電池單元3充電並對負載端8供電，一旦當外部電源7發生異常而停止供電，不斷電系統將自動轉由電池單元3繼續經由電壓調整單元4供應負載端8用電，為避免電池單元3電壓值過低而過早耗盡其儲能，電壓監控單元5a、5b會同時透過監測第一節點a的電壓，並適時地在第一節點a低於預設的臨界電壓值時同時控制二旁路開關42a、42b，使其皆導通，藉此，不僅可繼續提供電池單元3的電能經由旁路開關42a、42b、42c、42d對負載端8供電，亦可防止習知技術中僅設置單一旁路開關卻未正常作動而導致電池的儲能未充分發揮，藉此，電池單元3得以順利地按其蓄電量在停電後至外部電源7復電前的期間連續提供對負載端8的供電，使電池單元3充分發揮其備援時效。
　　當外部電源7再復電時，電壓監控單元5a、5b需立即將旁路開關42a、42b切斷，使外部電源7可繼續以較高的電壓對電池單元3充電，並且正常地經由降壓元件41a~41n繼續對負載端8供電；
　　此外，若復電後的旁路開關42a、42b未全部正常切斷，恐發生第一節點a的高電壓直接經旁路開關單元42對負載端8供電，而造成負載端8發生過電壓，損壞負載端8的設備，因此，本發明提供的另一功效在於，電壓監控單元5a、5b會同時透過監測第二節點b的電壓，在發現該第二節點b的電壓值過高的當下立即控制，將原本設為常閉的旁路開關42c、42d切斷，以確保第二節點b不會過電壓，也不會再去切斷斷電開關6或整流單元1，故可有效防止負載長時間的停電，使外部電源7可在此時安全且確實地經由降壓元件41a~41n對負載端8供電；
　　最終，若旁路開關42c、42d亦發生切換失敗而無法正常切斷，則電壓監控單元5a、5b立即切斷斷電開關6及整流單元1，保護負載端8的設備不致損傷，並透過電壓監控單元5a、5b內分別設有的一告警元件（圖未示出），如警示接點可將訊號送回中控室發出告警，或設置警示燈閃爍，藉此告知工程人員立即前往檢修。
　　如第4圖所示，本發明第二實施例係再增設一組電壓調整單元4，而該些電壓監控單元5a、5b與本實施例中增設的電壓調整單元4的連接方式與前一實施例中類似，差異在於二電壓調整單元4間更包括一第三節點c，該第三節點c亦與該些電壓監控單元5a、5b分別連接，藉此，該些電壓監控單元5a、5b可同時且分別地監控第一節點a與第三節點c作為其一電壓調整單元4的輸入、輸出電壓，亦同時且分別地監控第三節點c與第二節點b作為另一電壓調整單元4的輸入、輸出電壓；
　　因此，第二實施例的功效在於，前一實施例中僅設置單一電壓調整單元4，該切換過程會引起較大的輸出電壓變化（例如切換一次調整變動輸出電壓的幅度可能達10%），在電路的控制及穩定性皆對負載有較不佳的影響，故可透過設置兩組電壓調整單元4來改善，使本發明得以作兩段式的降壓控制，即，偵測個別節點的電壓臨界值，並根據該個別節點的臨界值，可先後開啟個別的旁路開關單元42（例如先後分別調整輸出電壓變動幅度為5%），以達到精確的輸出電壓控制，同理，亦可設置三組或三組以上的電壓調整單元4，以達到更精確的輸出電壓控制。
　　此外，本發明第三實施例如第5圖所示，係以包括兩組不斷電系統電壓異常保護電路E的雙機式（或多機式）實施，該些不斷電系統電壓異常保護電路E分別連接外部電源7，並分別連接至一直流匯流排F而對負載端8供電；當以此結構實施時，需在其輸出側及負載端8之間分別加入串聯的至少一二極體及一手動開關，此處以分別設有串聯的一二極體D1、D2及一手動有載電流切換開關S4、S5實施，其中，該些二極體分別用以防止該些不斷電系統電壓異常保護電路E彼此發生循環電流，該些手動有載電流切換開關S4、S5分別用於檢修時手動切開作為隔離之用。
　　綜上所述，不斷電系統電壓異常所造成的影響環環相扣，故本發明乃是透過整體電路運轉的風險來評估考量，進而提供完善的保護電路，係具有下列優點：
　1.藉由雙重化的旁路開關單元（並聯的旁路開關42a、42b及串聯的旁路開關42c、42d）可防止單一開關失效而無法導通或斷開而造成電池無法發揮應有的備援時效或輸出過電壓損壞負載。
　2.藉由雙重化的電壓監控單元（電壓監控單元5a、5b）分別且獨立地控制個別的開關（整流單元1、旁路開關42a、42b、42c、42d、斷電開關6），可有效地預防過電壓及低電壓對負載端設備及電池單元的損傷，提升不斷電系統的供電品質與安全。
　3.當發生過電壓或低電壓時皆可發出告警，利於工程人員即時檢修。
　　惟前述者僅為本發明的較佳實施例，其目的在使熟習該項技藝者能夠瞭解本發明的內容而據以實施，並非用來限定本發明實施的範圍；故舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造及特徵所為的均等變化或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。
 
1‧‧‧整流單元
2‧‧‧濾波單元
3‧‧‧電池單元
31‧‧‧無熔絲開關
32‧‧‧保險絲
33‧‧‧電池
4‧‧‧電壓調整單元
41a~41n‧‧‧降壓元件
42‧‧‧旁路開關單元
42a、42b、42c、42d‧‧‧旁路開關
5a、5b‧‧‧電壓監控單元
6‧‧‧斷電開關
7‧‧‧外部電源
8‧‧‧負載端
9‧‧‧保險絲
a‧‧‧第一節點
b‧‧‧第二節點
E‧‧‧不斷電系統電壓異常保護電路
S1、S2、S3‧‧‧手動有載電流切換開關

Claims (9)

  1. 一種不斷電系統電壓異常保護電路，其包括有：一斷電開關，該斷電開關連接該外部電源；一整流單元，該整流單元連接於該斷電開關，該整流單元於其輸出側輸出直流電壓；一濾波單元，該濾波單元連接於該整流單元之輸出側；一電池單元，該電池單元連接於該整流單元之輸出側，並與該濾波單元並聯設置；至少一電壓調整單元，該電壓調整單元包括至少一降壓元件及一並聯於該降壓元件的旁路開關單元，其中，該降壓元件串聯於該電池單元與負載端之間，該旁路開關單元包括至少二並聯的旁路開關串聯至少一旁路開關；以及至少二電壓監控單元，該些電壓監控單元分別連接該電壓調整單元之輸入側與輸出側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該些電壓監控單元內分別具有個別控制該斷電開關的驅動電路或個別控制該整流單元或個別控制該個別的旁路開關的驅動電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該些電壓監控單元內分別具有一告警元件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該降壓元件為二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該些旁路開關分別為可控電子式開關。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該斷電開關為可控電子式開關。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該整流單元為可控半導體開關。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該電池單元一側或該整流單元一側或該電壓調整單元一側具有一手動有載電流切換開關。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之不斷電系統電壓異常保護電路，其中，該斷電開關串聯有一保險絲。
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