用于限制在不间断电源中的损耗的系统和方法

摘要

本发明的方面目的在于用于限制在不间断电源中的损耗的系统和方法。在一方面，本发明提供不间断电源(UPS)(10)，其包括接收输入功率的具有输入电压的输入(12)、提供输出功率的具有输出电压的输出(14)、中性线、耦合到UPS(10)的输入(12)和输出(14)并具有输入、输出、磁芯以及可控制地耦合到磁芯、输入和输出的至少一个的至少一个开关的自动电压调节(AVR)变压器(20)、以及在输入电压实质上等于规定的输出电压时用于使AVR变压器(20)的磁芯从中性线隔离的装置(34)。

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明的至少一个实施方式大体上涉及用于将不间断的调节的功率 提供到临界和/或敏感负载的方法和系统。更具体地，本发明的至少一个实 施方式涉及归因于自动电压调节变压器的在不间断电源中的损耗的减少。

2.相关技术的讨论

将功率提供到临界负载的不间断电源系统(UPS)的使用是已知的。 已知的不间断电源系统包括在线UPS、离线UPS、线路互动式UPS以及 其它。在线UPS在AC功率的主电源中断时提供经调节的AC功率以及备 用AC功率。离线UPS一般不提供输入AC功率的调节，但在主AC电源 中断时提供备用AC功率。线路互动式UPS类似于离线和在线UPS之处 在于在停电发生时，它们仍然切换到电池功率；然而，在电力线下跌或增 大发生时，至少一种类型的线路互动式UPS启动抽头开关电压调节电路以 使输出电压在不消耗电池功率的情况下持续地稳定。这允许连接到UPS的 设备在不消耗电池的情况下通过扩大的电力线下跌或增大继续操作。抽头 开关电压调节电路通常包括自动电压调节(AVR)变压器。

发明概要

在本发明的实施方式中，与在UPS中的AVR变压器的能量损耗相关 的问题通过在AVR不执行调节功能时使变压器的磁芯断电并防止归因于 AVR变压器的损耗来减少。

在一方面，本发明以不间断电源(UPS)为特征。UPS可包括接收输 入功率的具有输入电压的输入、提供输出功率的输出、中性线、以及耦合 到UPS的输入和输出的自动电压调节(AVR)变压器，AVR变压器具有 输入、输出、磁芯以及可控制地耦合到磁芯、输入和输出的至少一个的至 少一个开关。UPS还包括配置成将AVR变压器的磁芯选择性地耦合到中 性线的旁路开关以及配置成控制AVR变压器的至少一个开关和旁路开关 的控制器，其中，在第一操作模式中，控制器被配置成控制旁路开关以使 AVR变压器的磁芯与中性线隔离，在第二操作模式中，控制器被配置成将 AVR变压器的磁芯耦合到中性线。

根据本发明的一个或多个方面，在第一操作模式中，控制器还被配置 成以提供等于AVR变压器的输入电压的AVR变压器的输出电压的配置来 将AVR变压器的至少一个开关耦合到磁芯以及耦合到AVR变压器的输入 和AVR变压器的输出的至少一个。

根据本发明的一个或多个方面，UPS还包括DC电压源和耦合到DC 电压源的逆变器，其中逆变器被耦合到AVR变压器的输入并被配置成将经 调节的AC功率提供到AVR变压器。此外，根据本发明的一个或多个方面， DC电压源包括电池。

根据本发明的一个或多个方面，在第二操作模式中，控制器被配置成 以提供比AVR变压器的输入电压大第一比率的AVR变压器的输出电压的 配置来将AVR变压器的至少一个开关耦合到磁芯以及耦合到AVR变压器 的输入和AVR变压器的输出的至少一个。

根据本发明的一个或多个方面，在第三操作模式中，控制器被配置成 控制旁路开关以将AVR变压器的磁芯耦合到中性线，以及其中控制器还被 配置成以提供比AVR变压器的输入电压大第二比率的AVR变压器的输出 电压的配置来将AVR变压器的至少一个开关耦合到磁芯以及耦合到AVR 变压器的输入和AVR变压器的输出的至少一个，第二比率大于第一比率。 此外，根据本发明的一个或多个方面，第二比率可为第一比率的两倍。

根据本发明的一个或多个方面，在第四操作模式中，控制器被配置成 控制旁路开关以将AVR变压器的磁芯耦合到中性线，以及其中控制器还被 配置成以提供比AVR变压器的输入电压小第三比率的AVR变压器的输出 电压的配置来将AVR变压器的至少一个开关耦合到磁芯以及耦合到AVR 变压器的输入和AVR变压器的输出的至少一个。根据本发明的一个或多个 方面，第三比率可为1.15∶1。此外，根据本发明的一个或多个方面，旁路 开关为电磁开关。此外，根据本发明的一个或多个方面，电磁开关为继电 器。根据本发明的一个或多个方面，继电器为单刀双掷继电器或单刀单掷 继电器。

在另一方面，本发明以在不间断电源(UPS)中提供稳定的功率的方 法为特征，该不间断电源具有自动电压调节(AVR)变压器、接收输入功 率的具有输入电压的输入、提供输出功率的具有输出电压的输出、以及中 性线，AVR变压器具有输入、输出以及选择性地耦合到中性线的磁芯，该 方法包括：确定到UPS的输入电压是否在规定的容限内，如果到UPS的 输入电压满足第一条件，则使AVR变压器的磁芯与中性线隔离，以及如果 UPS的输入电压满足第二条件，则将AVR变压器的磁芯耦合到中性线。

根据该方法的一个或多个方面，该方法还包括下列行为：如果UPS的 输入电压小于规定的容限，则配置AVR变压器以增加UPS的输出电压， 以及如果UPS的输入电压大于规定的容限，则配置AVR变压器以减小UPS 的输出电压。

根据方法的一个或多个方面，隔离的行为包括使AVR变压器的磁芯从 中性线去耦的行为。

根据方法的一个或多个方面，该方法还包括可控制地耦合到磁芯、AVR 变压器的输入和AVR变压器的输出的至少一个的至少一个开关以及配置 成将AVR变压器的磁芯选择性地耦合到中性线的旁路开关，其中隔离的行 为还包括将至少一个开关耦合到磁芯以及在一个半周期之后控制旁路开 关以使磁芯从中性线去耦的行为，其中将磁芯耦合到中性线的行为还包括 控制旁路开关以将磁芯耦合到中性线以及一个半周期之后将至少一个开 关耦合到磁芯的行为。

在另一方面，本发明以UPS为特征。UPS具有接收输入功率的具有输 入电压的输入、提供输出功率的具有输出电压的输出、中性线、以及耦合 到UPS的输入和输出并具有输入、输出、磁芯以及可控制地耦合到磁芯、 输入以及输出的至少一个的至少一个开关的AVR变压器。UPS还包括在 输入电压实质上等于规定的输出电压时用于使AVR变压器的磁芯从中性 线隔离的装置。

根据本发明的一个或多个方面，在第一操作模式中，至少一个开关被 选择性地以提供等于AVR变压器的输入电压的AVR变压器的输出电压的 配置来耦合到磁芯。

根据本发明的一个或多个方面，UPS还包括耦合到逆变器的DC电压 源，以及其中逆变器被耦合到AVR变压器并被配置成将经调节的AC功率 提供到AVR变压器。此外，根据本发明的一个或多个方面，DC电压源包 括电池。

根据本发明的一个或多个方面，在第二操作模式中，AVR变压器的磁 芯被耦合到中性线，以及至少一个开关以导致AVR变压器的输出电压比 AVR变压器的输入电压大第一比率的配置而被选择性地耦合到磁芯。

根据本发明的一个或多个方面，在第三操作模式中，AVR变压器的磁 芯被耦合到中性线，以及至少一个开关以导致AVR变压器的输出电压比 AVR变压器的输入电压大第二比率的配置来被选择地耦合到磁芯，第二比 率大于第一比率。此外，根据本发明的一个或多个方面，第二比率为第一 比率的两倍。

根据本发明的一个或多个方面，在第四操作模式中，AVR变压器的磁 芯被耦合到中性线，以及至少一个开关以导致AVR变压器的输出电压比 AVR变压器的输入电压小的配置来被选择地耦合到磁芯。

附图的简要说明

附图没有被规定为按比例绘制，在附图中，在各个图中示出的每个相 同的或几乎相同的组件由相似的数字表示。为清楚起见，不是每个组件都 可被标注在每个附图中。在附图中：

图1为包括自动电压调节变压器的线路互动式不间断电源的方框图。

图2为依照本发明的包括在UPS中的自动电压调节变压器的原理图。

图3为依照本发明的在逆变器模式中的自动电压调节变压器的原理 图。

图4为依照本发明的在穿过模式中的自动电压调节变压器的原理图。

图5为依照本发明的在升压模式中的自动电压调节变压器的原理图。

图6为依照本发明的在双倍升压模式中的自动电压调节变压器的原理 图。

图7为依照本发明的在微调模式中的自动电压调节变压器的原理图。

详细描述

本发明的实施方式不限于在以下的描述中提到的或在附图中示出的 结构的细节和组件的布置。本发明的实施方式能够以各种方式实践或执 行。此外，在此处使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被视为 限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”、或“具有(having)”、 “包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变形的使用在此处意味着 包含其后列出的项目及其等效形式以及附加的项目。

利用AVR变压器来稳定在UPS的输出处的电压的缺点是，即使在不 调节输出电压时，AVR变压器也消耗能量，这导致在变压器中的能量损耗。 在本发明的至少一些实施方式中，与在UPS中的AVR变压器能量损耗相 关的问题通过在AVR不调节输出电压时使变压器的磁芯断电并防止归因 于AVR变压器的损耗来消除。

现在将参考图1来描述依照本发明的不间断电源的一种实施方式，其 示出了用于将AC功率提供到负载的线路互动式不间断电源(UPS)10的 方框图。UPS包括从AC电源接收AC功率的输入12、将AC功率提供到 至少一个受控插座13的输出14、耦合到DC到DC转换器15的DC电压 源11、操作地耦合到DC到DC转换器15以接收DC功率并提供AC功率 的逆变器18、选择性地耦合到UPS输入12和逆变器18的转换继电器16、 UPS控制器17、用于与外部设备通信的外部通信控制电路19、EMI/浪涌 滤波器21、以及耦合到旁路继电器34、转换继电器16和至少一个AVR 继电器43的自动电压调节(AVR)变压器20。DC电压源11包括电池22、 至少一个备用电池组23、电池充电器25以及逻辑电源35。UPS控制器17 被耦合到电流感测电路37、电压感测电路39、线路感测电路41、开关继 电器控制器45以及至少一个可控继电器47。

参照图2，其示出了自动电压调节变压器的原理图，AVR变压器20 包括输入24、输出30、包含顶部49、中部51和底部53的磁芯32、选择 性地耦合在输入24和磁芯32的顶部49或耦合到磁芯32的底部53的第 一抽头27之间的第一AVR继电器26、选择性地耦合在输出30和磁芯32 的顶部49或耦合到磁芯32的中部51的第二抽头29之间的第二AVR继电 器28、以及用于使AVR变压器磁芯32从中性线36去耦的旁路继电器34。 第一AVR继电器26、第二AVR继电器28以及旁路继电器34可为单刀双 掷(SPDT)继电器。旁路继电器34也可为单刀单掷(SPST)继电器。金 属氧化物变阻器也可在旁路继电器34被断开时耦合在旁路继电器34两端 以吸收能量。

现在将参考图1至7来描述UPS 10的操作。参考图1至2，UPS控制 器17通过读取电压感测电路39、电流感测电路37和线路感测电路41的 输出来监控UPS 10的状态。在监控输出时，UPS控制器可确定到UPS10 的输入电压是否在正常或非正常状况中。如果在UPS 10的输入12处的输 入电压处于断电、下跌或者增大状况中，则输入电压在非正常状况中。不 考虑输入电压，UPS控制器17操作UPS 10和AVR变压器20，使得在输 出30处的电压在预定值内，也就是，标称值加上或者减去一个给定的阈 值。

比如，参考图1和3，如果在UPS 10的输入12处的输入电压出现故 障(断电)，UPS控制器17启动转换继电器16来将AVR变压器20耦合 到逆变器18以接收来自DC电压源11而不是输入12的电压。来自DC电 压源11的DC功率由DC到DC转换器15调节，这由UPS控制器17控制。 来自DC/DC转换器15的经调整的DC功率由逆变器18转换为AC功率并 输出到转换继电器16以及AVR变压器20。参考图3，其示出了在逆变器 模式下的操作，UPS控制器17将AVR继电器26、28调整到逆变器模式， 在该模式下AVR变压器20不需要执行输出电压调节功能。AVR变压器不 需要执行输出电压调节功能，因为来自DC电压源11的DC电压已经由 DC/DC转换器15和DC/AC转换器18调节。在穿过模式中，第一AVR继 电器26被设置在第二位置48，以及第二AVR继电器28设置在第二位置 44，AVR继电器26、28都耦合到磁芯32的顶部49，以使抽头27、29被 断电以及在AVR变压器20的输出30处的电压与在AVR变压器20的输入 24处的电压相等。此外，在逆变器模式下，旁路继电器34被断开以使AVR 变压器的磁芯32从中性线36去耦以消除由于AVR变压器20产生的任何 潜在的损耗。UPS控制器也通过开关继电器控制器45操作一组可控制的 继电器47，开关继电器控制器45确定哪个受控插座13将被连接到输出 14。

在另一例子中，参考图1和4，如果在UPS 10的输入12处的输入电 压在正常电平以及AVR变压器调节是不需要的，转换继电器16将AVR 变压器20耦合到UPS 10的输入，以及UPS控制器17将AVR继电器26、 28调整到穿过模式，在该模式下AVR变压器20不需要执行输出电压调节 功能。在穿过模式下，第一AVR继电器26被设置在第二位置48以及第二 AVR 28被设置在第二位置44，AVR继电器26、28耦合到磁芯32的顶部 49，以使抽头27、29被断电以及在AVR变压器20的输出30处的电压等 于在AVR变压器20的输入24处的电压。此外，在穿过模式下，旁路继电 器34被断开来使AVR变压器的磁芯32从中性线36去耦以消除由于AVR 变压器20产生的任何潜在的损耗。

如果输入电压处于下跌或增大状况中，转换继电器16将AVR变压器 20耦合到UPS 10的输入，以及UPS控制器17调整AVR继电器26、28， 从而启动或停用相应的抽头27、29以在AVR变压器的输出30处提供稳定 的电压。

例如，参考图5，如果UPS 10的输入12处的输入电压在下跌状况中 以及输出电压需要被增加，UPS控制器17将AVR继电器26、28调整到 升压模式。在升压模式下，AVR变压器20的第一AVR继电器26被设置 在耦合到磁芯32的底部53的第一位置38，以使第一抽头27被通电，以 及AVR变压器20的第二AVR继电器28被设置在耦合到磁芯32的中部 51的第一位置40，以使第二抽头29被通电，允许AVR变压器42的输入 24处的电流42从磁芯32的底部53沿着第一方向流到磁芯的中部51，导 致在AVR变压器20的输出30处的电压大于在AVR变压器20的输入24 处的电压。由于AVR变压器20产生的在输出30和输入24之间的电压的 增长直接与AVR变压器20的磁芯32的匝数比相关，该匝数比根据磁芯 32在哪里被分接而变化(由第一和第二AVR继电器26、28和AVR变压 器20的相应抽头27、29确定)。例如，在升压模式下，在AVR变压器的 输出处的电压可相对于在AVR变压器的输入的电压增加了第一比率。第一 比率可为1∶1.15。

参考图6，如果输出电压需要增加更大的比率，可被放置在第二位置 44的AVR变压器20的第二AVR继电器28耦合到磁芯32的顶部49，以 使第二抽头29被断电，允许电流46穿过磁芯32的较大的部分从底部53 沿着第一方向流到顶部49，实际上增加AVR变压器的匝数比，以及导致 在输出30处的更大的电压。例如，在升压模式下，在AVR变压器的输出 处的电压可增加大于第一比率的第二比率。在一种实施方式中，第二比率 可为第一比率的值的两倍。第二比率可为1∶1.3。

在另一个实例中，参考图7，如果在UPS 10的输入12处的输入电压 在增大状况中以及输出电压需要被减小，转换继电器16将AVR变压器20 耦合到UPS 10的输入，以及UPS控制器17将AVR继电器26、28调整到 微调模式。在微调模式中，AVR变压器20的第一AVR继电器26被设置 在耦合到磁芯32的顶部49的第二位置48，以使第一抽头27被断电，且 AVR变压器20的第二AVR继电器28被设置在耦合到磁芯32的中部51 的第一位置40，以使第二抽头29被通电，允许AVR变压器20的输入24 处的电流50穿过AVR变压器的磁芯52的截面从顶部49沿着第二方向流 到中部51，这导致AVR变压器20的输出30处的电压低于在AVR变压器 20的输入24处的电压。由于AVR变压器20产生的在输出30和输入24 之间的电压的减小直接与AVR变压器20的磁芯32的匝数比有关。例如， 在微调模式下，在AVR变压器的输出处的电压可相对于在AVR变压器的 输入的电压减小一比率。该比率可为1.15∶1。

在AVR变压器磁芯从通电转变为断电状态或从断电状态转变为通电 状态时，在至少一种实施方式中操作AVR变压器的AVR继电器以及旁路 继电器以便最小化在UPS中的伏秒的任何损失或失调是有益的。例如，在 至少一种实施方式中，UPS控制器17使旁路继电器尽可能地接近AC电压 波形的零交叉以最小化伏秒的任何损失。此外，在至少一种实施方式中， UPS控制器17使旁路继电器和AVR继电器准确地分开180度以最小化伏 秒的任何损失或失调。例如，在AVR变压器磁芯从断电转变为通电状态时， 旁路继电器可首先被接合，后面是准确地在一个半周期之后的AVR继电 器。在另一实例中，在AVR变压器从通电转变到断电状态时，AVR继电 器可首先被使用，继之以准确地在一个半周期之后的旁路继电器。

以上描述的本发明的至少一种实施方式的一个优势是，通常与在UPS 中的AVR变压器能量损耗相关的问题通过在AVR不执行调节功能时使变 压器的磁芯断电并防止由于AVR变压器产生的损耗来减少。通过使磁芯断 电，电流被阻止在磁芯中流动，这在ACR变压器不执行调节功能时导致 由于AVR变压器产生的任何净损耗的消除。

上文结合线路互动式UPS描述了本发明的实施方式。在此描述的方式 和系统也可与其它类型的不间断电源一起使用以及用在各种电源系统和 电压调节系统中。

如上所述，本发明的实施方式的系统和方法利用多个不同的开关。开 关可用各种不同的方式实现，比如但不限于SPDT继电器、SPST继电器、 晶体管或其它类型的开关。

在至少一种实施方式中，DC电压源11包括用于提供额外的DC存储 容量的额外的电池组23、用于将来自输入12的AC电压转换为DC电压 以给电池22和备用电池组23充电的电池充电器、以及用于提供经调节的 DC电压的逻辑电源21。在其它实施方式中，可使用其它备用电源，包括 AC和DC发电机。

在至少一种实施方式中，UPS控制器17被连接到外部通信控制电路 19以与外部设备通信。

在至少一种实施方式中，输入12被连接到EMI/浪涌滤波器21以提供 EMI和对UPS 10的浪涌保护。

在至少一种实施方式中，可控继电器47不被包括在UPS中，以及受 控插座13不是受控插座而为标准插座。

如上所述，本发明的实施方式的系统和方法利用UPS控制器。UPS 控制器可用各种不同的方法实现，比如但不限于微处理器、逻辑电路、计 算机或其它类型的电子控制器。

这样描述了该发明的至少一种实施方式的几个方面之后，应认识到， 本领域的技术人员将容易想到各种更改、修改以及改进。这样的更改、修 改以及改进被规定为本公开的部分，并被规定为在本发明的精神和范围 内。因此，前述的描述和附图仅作为例子。