TWM450133U - 直流動力負載電源壓降自動補償裝置 - Google Patents

Description

直流動力負載電源壓降自動補償裝置

本創作係有關一種直流動力負載電源壓降自動補償裝置，尤其指一種有別於現行各式交流之UPS不斷電系統，可達到簡化使用交流不斷電系統所需設備龐大複雜、故障率高、付出成本多之缺失。

按，於高科技產業運轉方面，有部分設備或系統包括：

(一)潔淨室(CLEAN ROOM)或其他室內與靜壓控制有相關影響的密閉空間靜壓控制運作。

(二)會產生且儲蓄有毒揮發氣體空間之排氣系統運作。

(三)不能接受由於突發任何因素而引起加工或生產製程中途當機之設備或系統。

(四)不能接受由於突發任何因素而引起化學反應的製程中途當機之設備或系統。

其於運轉中一旦發生當機特別是電源之不穩定，將嚴重影響操作人員之安危並造成生產線上之產品不良瑕疵；是以，長久以來為解決此一難題，均係採用交流(AC)不斷電系統(UPS)解決，並使得不斷電系統之技術有著長足之進步。

一般交流UPS不斷電系統1係串接於電源端3以及負載2之一次側21，如第一圖所示；惟，依實務經驗可發現，所述之UPS不斷電系統實際上存在有如下之缺失：

A、變頻器所產生高頻諧波對UPS會使得UPS的變頻變壓器 飽合。

B、馬達起動時是額定容量的2倍，UPS容量也需提升2倍，否則UPS會故障並跳機。

C、使用UPS須增加一組被動諧波濾波器。

D、UPS設計原先是針對電腦性負載，轉用後對於馬達等須較大電力負載無法完全適用。

E、UPS搭配單純使用直流之電氣器具沒有問題，但運轉變頻器時，需做多級能源轉換，效率差。

F、UPS使用多級能源轉換時，其設備過於複雜，變因多，故障率相對增加。

另一方面，經過分析會造成系統或設備當機之真正關鍵因素，通常並非已告知、能預知或突發性的完全斷電，而是於正常供電狀態下，突然發生瞬間電壓降所造成，所謂「瞬間壓降」，是指電壓有效值下降至標稱值(Nomina-1 value)的10~90%之間，且持續半週波至數秒。

工業生產設備或系統特別是晶圓等精密製程的設備、奈米、微電腦資訊設備、變頻器等，其用電負載對於瞬間壓降非常敏感，只要20ms、85~90%的瞬間壓降，即可能導致Fab製程機台當機。而此種電力品質的問題，原由因素眾多，包括了由鄰近饋線或匯流排事故所引起而持續幾個週波至幾秒的短時間電壓驟降，即所謂Voltage Sag或Voltage Dip，或是由電容器切換、或電擊等，所導致的暫態(TRANSIENT)現象，其持續時間約在一個週以下，而穩態時，負載端的電力品質因素則為諧波或電壓閃爍。

上述之設備或系統均為使用高電壓、大電流的工業級用 途，由於目前各種解決方案均係著重於交流供電領域，一般工廠運轉作業所必須的交流UPS不斷電系統與設備，均係為整廠設備，必須另外再規劃一個大空間供放置電池與不斷電系統設備，造成成本上之龐大負擔；顯然，使用交流UPS不斷電系統並非理想之負載瞬間壓降防治與解決方式。

有鑑於此，本創作即在提供一種有別於現行各式交流之UPS不斷電系統，可達到簡化使用交流不斷電系統所需設備龐大複雜、故障率高、付出成本多缺失之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，為其主要目的者。

為達上揭目的，本創作之直流動力負載電源壓降自動補償裝置至少包含有：充電單元、電池組單元以及自動補償模組，該自動補償模組係連接於充電單元以及負載之二次側間，該自動補償模組設有控制單元、開關單元以及儲能單元，該開關單元係分別與該控制單元以及儲能單元連接。

其中，該直流動力負載電源壓降自動補償裝置(VDCS)，係並聯連接於電源端以及高電壓、大電流負載之二次側，且提供該負載一驅動電壓，該控制單元當偵測該負載之驅動電壓不足時，可驅動該開關單元令該儲能單元極速儲能，以補償因壓降之差值，可避免負載當機或損毀。

為達成上述之目的，本創作之自動補償模組進一步設有矽控整流器(SCR)，該矽控整流器係分別與該控制單元以及儲能單元連接，該矽控整流器可受該控制單元之控制而形成開路或斷路。

上述之開關單元可以為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)，而該儲能單元可以為電抗器。

為達成上述之目的，本創作之電源端以及負載之二次側間可進一步並聯複數直流動力負載電源壓降自動補償裝置。

為達成上述之目的，本創作之自動補償模組進一步設有電流傳輸器(CT)，該電流傳輸器係分別與該電池組單元以及控制單元連接。

具體而言，本創作之直流動力負載電源壓降自動補償裝置(VDCS)係可以產生下列功效：

1.其控制點係並接於直流側，也就是位於整體架構二次的直流電源，並非在一次的交流電源處，故直接針對負載端二次的直流電源，除了免除對整體系統相關一次側交流供電設備之繁多，相對整廠系統而言，大幅縮小處理範圍，減少前端問題因素，且具迷你性、獨立單一性、低成本性。以及適用極具危險性與關鍵性的場所。

2.本創作VDCS可單獨或個別的安裝，特別針對直流對直流系統，有別於傳統的交流對交流，或交流對直流的系統。

3.本創作應用於所有直流電源供應部分(如變頻器)運作之直流動力負載電源壓降自動補償，可以確保設備正常運轉，不會因為無預警瞬間壓降、電力不足降壓供電及斷電之異常狀態，而造成設備當機，並且能持續提供穩定的直流電源給重要負載使用，當停電狀態排除後，再度恢復正常供電時，則系統將自動恢復，不會對負載有任何影響。

4.本創作VDCS適用於市面任何直流供電所需電氣器具，以及適用於市面任何廠牌變頻器產品。

本創作之特點，可參閱本案圖式及實施案例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

本創作之直流動力負載電源壓降自動補償裝置4，如第二圖及第三圖所示，其至少包含有：充電單元41、電池組單元42以及自動補償模組43；其中：該充電單元41可接收電源端3之交流電源，可將該交流電源轉換成直流電源。

該電池組單元42係與該充電單元41連接，該電池組單元42可設有複數串聯連接之電池，該充電單元41進行預充電使電池組單元42保持於備用狀態。

該自動補償模組43設有控制單元431、開關單元432以及儲能單元433，該開關單元432係分別與該控制單元431以及儲能單元433連接，而開關單元432可以為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)，而該儲能單元433可以為電抗器，其中並設有電流傳輸器(CT)434以及偵錯單元436，該電流傳輸器433係分別與該電池組單元42以及控制單元431連接，用以感測供應給負載之輸出電壓大小，該偵錯單元436係分別與該電源端3以及控制單元431連接，用以感測電源端之輸入電壓大小，而該自動補償模組43進一步設有矽控整流器(SCR)435，該矽控整流器435係分別與該控制單元431以及儲能單元433連接，並位於該自動補償模組43之輸出端，該矽控整流器435可受該控制單元431之控制而形成開路或斷路。

使用時，該直流動力負載電源壓降自動補償裝置4係並 聯連接於電源端3(接收交流電源)以及高電壓、大電流負載2之二次側22，且提供該負載2一驅動電壓，該自動補償模組43係連接於充電單元41以及負載2之二次側22間。

在電源端3正常供應交流電源下，該充電單元41將交流電源轉換為直流電源後，供電給電池組單元42之電池，做限電流限電壓充電及連接直流電源於自動補償模組43。在其將交流電源整流為直流時，該充電單元41亦能將電源端3中所產生的異常突波、雜訊及頻率不穩定等消除，以提供給電池組單元42與自動補償模組43更穩定及乾淨的直流電源，亦可將該直流電源輸出供應給負載2之變頻器23使用，且該當電壓正常時，該控制單元431檢測得知一切正常時，此時該矽控整流器435無動作(亦即為斷路狀態)；當然，當電池組單元42中之各電池充有一定之直流電源時，該充電單元41則停止對電池組單元42供應直流電源，如第四圖所示，而將電源提供給負載2之變頻器23使用。

當電池組單元42電壓不足時，供應負載端之驅動電壓不夠，則前述之電流傳輸器434輸出異常信號並傳送至控制單元431，並由該控制單元431送出控制信號給充電單元41為電池組單元42充電。而開關單元432由於控制單元431的輸出信號觸發開關單元432，產生間歇性持續ON/OFF的觸發動作，俾使能在儲能單元433進行極速儲能，直至電壓達到足夠負載所須之值備用。

當電源端3發生異常時，如第二圖及第五圖所示，其電源端之瞬間電壓突降不正常，該偵錯單元436檢測得知後，將送出異常信號並傳送至該控制單元431，令該矽控整流器 435動作(亦即為開路狀態)，送出備用中足額的電壓(包含電池組單元42以及儲能單元433之電壓)補償該電壓降，使負載2得以維持於正常輸出電壓不受影響，進而達到電源備份持續供應正常直流電壓之功能。

再者，本創作中自動補償模組43之輸出端可進一步並聯有至少另一電池組單元42、開關單元432以及儲能單元433，如第六圖所示，可在一個交流電源之正弦波內由各電池組單元42、開關單元432以及儲能單元433分段供應輸出電壓。

綜上所述，本創作提供一種較佳可行之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，爰依法提呈新型專利之申請；本創作之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本創作之揭示而作各種不背離本案創作精神之替換及修飾。因此，本創作之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本創作之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧交流UPS不斷電系統

2‧‧‧負載

21‧‧‧一次側

22‧‧‧二次側

23‧‧‧變頻器

3‧‧‧電源端

4‧‧‧直流動力負載電源壓降自動補償裝置

41‧‧‧充電單元

42‧‧‧電池組單元

43‧‧‧自動補償模組

431‧‧‧控制單元

432‧‧‧開關單元

433‧‧‧儲能單元

434‧‧‧電流傳輸器

435‧‧‧矽控整流器

436‧‧‧偵錯單元

第一圖係為習有交流UPS不斷電系統之使用示意圖。

第二圖係為本創作中直流動力負載電源壓降自動補償裝置之結構示意圖。

第三圖係為本創作中直流動力負載電源壓降自動補償裝置之使用示意圖。

第四圖係為本創作中直流動力負載電源壓降自動補償裝置之另一使用示意。

第五圖係為本創作中直流動力負載電源壓降自動補償裝 置之再一使用示意。

第六圖係為本創作中直流動力負載電源壓降自動補償裝置之另一結構示意圖。

3‧‧‧電源端

4‧‧‧直流動力負載電源壓降自動補償裝置

41‧‧‧充電單元

42‧‧‧電池組單元

43‧‧‧自動補償模組

431‧‧‧控制單元

432‧‧‧開關單元

433‧‧‧儲能單元

434‧‧‧電流傳輸器

435‧‧‧矽控整流器

436‧‧‧偵錯單元

Claims (7)

1. 一種直流動力負載電源壓降自動補償裝置(VDCS)，係並聯連接於電源端以及高電壓、大電流負載之二次側，且提供該負載一驅動電壓，其至少包含有：充電單元，可接收電源端之交流電源；電池組單元，係與該充電單元連接，該充電單元進行預充電使電池組單元保持於備用狀態；自動補償模組，係連接於充電單元以及負載之二次側間，該自動補償模組設有控制單元、開關單元以及儲能單元，該開關單元係分別與該控制單元以及儲能單元連接，該控制單元可偵測該驅動電壓，並驅動該開關單元令該儲能單元儲能與否。
2. 如請求項1所述之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，其中，該自動補償模組進一步設有矽控整流器(SCR)，該矽控整流器係分別與該控制單元以及儲能單元連接，該矽控整流器可受該控制單元之控制而形成開路或斷路。
3. 如請求項1所述之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，其中，該開關單元可以為絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。
4. 如請求項1所述之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，其中，該儲能單元可以為電抗器。
5. 如請求項1至4其中任一項所述之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，其中，該自動補償模組之輸出端可進一步並聯有至少另一電池組單元、開關單元以及儲能單元。
6. 如請求項5所述之直流動力負載電源壓降自動補償 裝置，其中，該自動補償模組進一步設有偵錯單元，該偵錯單元係分別與該電源端以及控制單元連接。
7. 如請求項5所述之直流動力負載電源壓降自動補償裝置，其中，該自動補償模組進一步設有電流傳輸器(CT)，該電流傳輸器係分別與該電池組單元以及控制單元連接。