双电源自动转换装置及其转换控制方法、双电源供电系统

摘要

本发明公开了一种双电源自动转换装置，属于低压电气技术领域。为了解决现有技术采用半导体开关作为双电源切换开关以满足敏感负载要求所带来的问题，本发明并不追求提高双电源切换开关的转换速度，而是使用机械式的双电源切换开关以保证系统的安全可靠性，同时引入一个简单的受控制单元控制的辅助供电单元，在双电源转换的转换过程中控制辅助供电单元对负载进行短时供电以维持高敏感负载的正常运转，转换完成后仍由主电源或备用电源为负载供电。本发明还公开了上述双电源自动转换装置的转换控制方法以及一种双电源供电系统。本发明可满足像金属卤素灯一样的敏感负载的供电需求，并且安全可靠性高，实现成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双电源自动转换装置，尤其涉及一种可满足高敏感负载的供电需求且高可靠性的双电源自动转换装置及其转换控制方法，属于低压电气技术领域。

背景技术

在现代工业、医疗、商业以及日常生活等领域均存在一些需要持续供电的用电设备，为了满足这些用电设备的持续供电要求，通常采取双路供电的供电方案，即利用双电源自动转换装置实现主、备两路电源的自动切换。双电源自动转换装置通常包括检测单元、控制单元和双电源切换开关，检测单元用于对主电源和备用电源的输入电压进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现主、备电源的自动转换。现有双电源自动转换装置在进行电源转换过程中，双电源切换开关的执行逻辑是先断后合，即先断开主电源，然后接通备用电源，这样就会出现短暂的断电（传统的机械式开关的转换时间通常为数十毫秒），这种短暂断电对于大多数负载而言是可以接受的。然而，也存在一些高敏感负载，对于供电持续性要求十分苛刻。例如，主要应用于体育场馆、隧道等照明的金属卤素灯就是一种典型的敏感负载。金属卤素灯的最大特点是当断电时间超过5ms后，需要再过10min左右才能重新点亮。显然，如果在重要的体育比赛中或工程施工中突然停电，会造成很大的麻烦。为了使得双电源自动转换装置能够满足高敏感负载的要求，一种现有的解决方案是采用可控半导体开关作为双电源切换开关，以提高两路电源的转换速度。这种方案虽然可以将两路电源的转换时间大幅降低，但是需要对半导体开关单独设计散热系统，增加了系统的成本；另外，半导体器件长时间工作，其寿命和可靠性相比传统机械式双电源开关均会下降，从而影响了整个供电系统的安全可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可满足高敏感负载的供电需求且具有高可靠性的双电源自动转换装置及其转换控制方法。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种双电源自动转换装置，包括：主电源输入端、备用电源输入端、电源输出端、双电源切换单元；所述双电源切换单元包括检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关，检测单元用于对主电源输入端和备用电源输入端的输入电压进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现主、备电源的自动转换；所述双电源切换单元还包括一辅助供电单元，所述辅助供电单元包括逆变单元，逆变单元的输出端与所述电源输出端连接，逆变单元的控制端与控制单元连接；控制单元在主、备电源的转换过程中，控制辅助供电单元输出电能。

上述技术方案中，辅助供电单元的电能从主电源和/或备用电源获取，根据获取电能方式的不同，辅助供电单元可大致分为需要储能部件的储能型和不需要储能部件的直供型这两大类，分别如下：

储能型：

所述辅助供电单元还包括储能部件和整流单元；整流单元用于从主电源和/或备用电源提取电能供给储能部件；所述储能部件在主电源和备用电源供电阶段通过所述整流单元进行储能，在主、备电源的转换过程中通过所述逆变单元输出电能。

优选地，所述辅助供电单元还包括与整流单元连接的转换开关，所述转换开关的两个输入端及控制端分别与主电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述整流单元与后级储能部件连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反。

优选地，所述整流单元的输入端与所述双电源切换开关的输出侧或者主电源或者备用电源连接。

优选地，所述整流单元包括第一整流电路和第二整流电路，第一整流电路、第二整流电路的输入端分别连接主电源输入端、备用电源输入端，第一整流电路、第二整流电路的输出端相互连接后与后级储能部件连接。

优选地，所述辅助供电单元还包括调压装置。所述调压装置可以是设置于整流单元之前或者逆变单元之后的变压器，也可以是设置于整流单元与逆变单元之间的DC/DC电路。

储能型辅助供电单元还有一种不需要整流单元的特殊形式，具体如下：

所述逆变单元为一端连接有储能部件的双向逆变器，双向逆变器的另一端与所述电源输出端连接。

优选地，所述双向逆变器与储能部件通过双向DC/DC电路连接。

直供型：

所述辅助供电单元还包括整流单元；整流单元用于从主电源或备用电源提取电能，在主、备电源的转换过程中通过所述逆变单元输出电能。

优选地，所述辅助供电单元还包括与整流单元连接的转换开关，所述转换开关的两个输入端及控制端分别与主电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述整流单元与后级逆变单元连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反。

优选地，所述整流单元包括第一整流电路和第二整流电路，第一整流电路、第二整流电路的输入端分别连接主电源输入端、备用电源输入端，第一整流电路、第二整流电路的输出端相互连接后与后级逆变单元连接。

优选地，所述整流单元的输入端与主电源或备用电源连接。

优选地，所述辅助供电单元还包括调压装置。所述调压装置可以是设置于整流单元之前或者逆变单元之后的变压器，也可以是设置于整流单元与逆变单元之间的DC/DC电路。

所述双电源切换开关可以是电磁式机械开关或者电机传动式机械开关。

如上任一技术方案所述双电源自动转换装置的转换控制方法，包括以下步骤：

步骤1、检测单元对主电源输入端和/或备用电源输入端的输入电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对输入电压进行运算，并判断当前工作电源的电压有效值是否在预设的电压有效值范围内，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行主、备电源切换，并且控制辅助供电单元开始向负载进行输出，在主、备电源切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；

步骤4、当双电源切换开关完成主、备电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。

    根据相同的发明思路还可以得到一种双电源供电系统，包括主电源、备用电源以及如上任一技术方案所述双电源自动转换装置，双电源自动转换装置的主电源输入端、备用电源输入端分别与主电源、备用电源连接。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可使得主备电源转换过程中的负载断电时间最小化，满足了像金属卤素灯一样的敏感负载的安全供电需求；

本发明采用机械式的双电源切换开关，安全可靠性高，实现成本低。

附图说明

图1为本发明双电源供电系统的第一种实施例的结构原理示意图；

图2为本发明双电源供电系统的第二种实施例的结构原理示意图；

图3为本发明双电源供电系统的第三种实施例的结构原理示意图；

图4为本发明双电源供电系统的第四种实施例的结构原理示意图；

图5为本发明双电源供电系统的第五种实施例的结构原理示意图；

图6为采用三相四线制的本发明双电源供电系统的具体实现电路示意图；

图7为本发明双电源供电系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

正如背景技术部分所谈到的，为了使得双电源自动转换装置能够满足类似金属卤素灯的高敏感负载的要求，现有的解决方案是采用可控半导体开关作为双电源切换开关，以提高两路电源的转换速度。这种方案虽然可以将两路电源的转换时间大幅降低，但是需要对半导体开关单独设计散热系统，增加了系统的成本；另外，半导体器件长时间工作，其寿命和可靠性相比传统机械式双电源开关均会下降，从而影响了整个供电系统的安全可靠性。为解决上述问题，本发明并不追求提高双电源切换开关的转换速度，而是使用机械式的双电源切换开关以保证系统的安全可靠性，同时引入一个简单的受控制单元控制的辅助供电单元，在双电源转换的转换过程中控制辅助供电单元对负载进行短时（具体供电时间根据双电源切换开关的转换时间而定，通常为数十毫秒）供电以维持高敏感负载的正常运转，转换完成后仍由主电源或备用电源为负载供电。

本发明所使用机械式的双电源切换开关可以是现有的电磁式机械开关、电机传动式机械开关或者其它类型的机械开关。所述电磁式机械开关包括用于驱动双电源切换开关触头系统进行动作的转换机构、用于驱动转换机构进行双电源转换的电磁铁，以及用于控制电磁铁通断的可控半导体开关；可控半导体开关的控制端与所述控制单元连接。所述电机传动式机械开关包括转换机构、用于驱动转换机构进行双电源转换的电机传动系统，电机传动系统的控制端与所述控制单元连接。

本发明技术方案中，辅助供电单元的电能从主电源和/或备用电源获取，根据获取电能方式的不同，辅助供电单元可分为需要储能部件的储能型和不需要储能部件的直供型这两大类。为了便于公众理解，下面以几个具体实施例来对本发明技术方案进行说明。

图1显示了本发明双电源供电系统的第一种实施例的结构原理。如图1所示，双电源供电系统包括电源1、电源2以及双电源自动转换装置；双电源自动转换装置包括：主电源输入端、备用电源输入端、电源输出端、双电源切换单元，其中主电源输入端、备用电源输入端分别与电源1、电源2连接，电源输出端与负载（图中为金卤灯）连接。所述双电源切换单元包括检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关以及辅助供电单元；检测单元用于对主电源输入端和备用电源输入端的输入电压进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现主、备电源的自动转换。如图1所示，本实施例中的辅助供电单元包括变压器、整流电路、储能电容及逆变单元，升压变压器的输入端与双电源切换开关的输出侧（也可以是电源1或电源2）连接。在电源1或电源2为负载供电的过程中，辅助供电单元处于储能模式，电源1或电源2输出的电能经变压器升压并被整流为具有较高电压的直流电后，被储存于储能电容中；当控制器检测到当前工作电源（图中为电源1）的电压跌落时，则控制单元控制双电源切换开关进行电源的切换，并且控制辅助供电单元进入工作模式，储能电容所存储的电能经逆变单元输出为负载供电，在电源1和电源2的切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；当双电源切换开关完成切换后，控制器控制逆变单元停止输出，辅助供电单元再次进入储能模式。本实施例中的变压器也可设置于逆变单元与电源输出端之间。仔细分析可以发现，如果辅助供电单元的输入端（即变压器的输入端）与电源1或电源2连接，则在双电源切换开关切换过程中，辅助供电单元可直接从电源1或电源2取电供给负载，则辅助供电单元中的储能电容可以去除，或更换为滤波电容，此时的辅助供电单元为直供型。

图2显示了本发明双电源供电系统的第二种实施例的结构原理。本实施例中的辅助供电单元包括依次连接的整流电路、预充电电容、DC/DC电路、储能电容、逆变单元，整流电路的输入端与双电源切换开关的输出侧（也可以是电源1或电源2）连接。辅助供电单元处于储能模式时，整流电路将所接收能量存储于预充电电容，通过DC/DC电路转换为合适的直流电压对逆变单元供电，并能够维持直流母线电压处于一较高电压，并将能量存储于储能电容之中，从而为逆变单元提供足够的能量；同样地，当控制器检测到当前工作电源（图中为电源1）的电压跌落或其它原因需要切换电源时，则控制单元控制双电源切换开关进行电源的切换，并且控制辅助供电单元进入工作模式，逆变单元开始输出为负载供电，在电源1和电源2的切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；当双电源切换开关完成切换后，控制器控制逆变单元停止输出，辅助供电单元再次进入储能模式。同样的，如辅助供电单元的输入端（即整流电路的输入端）与电源1或电源2连接，则在双电源切换开关切换过程中，辅助供电单元可直接从电源1或电源2取电供给负载，则辅助供电单元中的储能电容可以去除，或更换为滤波电容，此时的辅助供电单元为直供型。其中，用于调节电压的DC/DC电路也可以用变压器代替，只要将变压器设置于整流单元之前或者逆变单元之后即可。

图3显示了本发明双电源供电系统的第三种实施例的结构原理。如图3所示，其中的辅助供电单元的结构与图2中相同。如图3所示，整流电路的输入端与一个转换开关的输出侧连接，转换开关的两个输入端及控制端分别与主电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反（即双电源切换开关从电源2切到电源1后，转换开关从电源1切到电源2；双电源切换开关切到电源2后，转换开关切到电源1）。电源1为负载正常供电过程中，辅助供电单元中的储能电容从电源2提取电能并存储；当控制单元检测到电源1的电压跌落或其它原因需要切换电源时，控制单元控制双电源切换开关进行电源的切换，并且控制辅助供电单元进入工作模式，逆变单元开始输出为负载供电，在电源1和电源2的切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；双电源切换开关完成切换后，控制器控制转换开关切换至电源1，并且控制逆变单元停止输出，此时负载由电源2直接供电，而辅助供电单元中的储能电容从电源1提取电能并存储（如果电源1能够正常供电）。同样地，由于在双电源切换开关切换过程中，辅助供电单元可直接从电源1或电源2取电供给负载，因此辅助供电单元中的储能电容可以去除，或更换为滤波电容，此时的辅助供电单元为直供型。用于调节电压的DC/DC电路也可以用设置于整流单元之前或者逆变单元之后的变压器代替。

图4显示了本发明双电源供电系统的第四种实施例的结构原理。如图4所示，其中的辅助供电单元包括第一整流电路、第二整流电路、预充电电容、DC/DC电路、储能电容、逆变单元，第一整流电路、第二整流电路的输入端分别连接主电源输入端、备用电源输入端，第一整流电路、第二整流电路的输出端相互连接后再依次与预充电电容、DC/DC电路连接。两路整流电路将能量从电源1和电源2接收后，共同存储于预充电电容，通过DC/DC电路对逆变单元供电，并能够维持直流母线电压处于一较高电压。当控制单元检测到电源1的电压跌落或其它原因需要切换电源时，控制单元控制双电源切换开关进行电源的切换，并且控制辅助供电单元进入工作模式，逆变单元开始输出为负载供电，在电源1和电源2的切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；当双电源切换开关完成切换后，控制器控制逆变单元停止输出。由于两路整流电路分别从电源1、电源2提取电能，因此在双电源切换开关切换过程中，辅助供电单元始终有外部电能输入，因此辅助供电单元中的储能电容可以去除，或更换为滤波电容，此时的辅助供电单元为直供型。其中的DC/DC电路也可以用设置于逆变单元之后的变压器代替。

图5显示了本发明双电源供电系统的第五种实施例的结构原理。如图5所示，本实施例中的辅助供电单元为一端连接有储能部件的双向逆变器，双向逆变器的另一端连接负载。当电源1正常工作时，双向逆变器为整流储能模式，从负载端汲取电能经过整流后储存于储能部件；当控制单元检测到电源1的电压跌落或其它原因需要切换电源时，控制单元控制双电源切换开关进行电源的切换，并且控制辅助供电单元进入工作模式，双向逆变器进入逆变输出状态，为负载供电，在电源1和电源2的切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；当双电源切换开关完成切换后，控制器控制双向逆变器再次进入整流储能模式。还可以进一步在双向逆变器与储能部件之间接入双向DC/DC电路，正向逆变输出时进行升压，反向整流储能时进行降压，从而可以降低储能部件的所需的容量。

本发明双电源自动转换装置的转换控制方法包括以下步骤：

步骤1、检测单元对主电源输入端和/或备用电源输入端的输入电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对输入电压进行运算，并判断当前工作电源的电压有效值是否在预设的电压有效值范围内，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行主、备电源切换，并且控制辅助供电单元开始向负载进行输出，在主、备电源切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；

步骤4、当双电源切换开关完成主、备电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。

步骤3中可分为以下几种情况：

1、控制单元发送控制信号控制双电源切换开关进行主、备电源切换，在控制单元发送控制信号后到双电源切换开关的触头系统进行动作前的时间段内控制单元控制辅助供电单元开始向负载进行输出。

2、控制单元发送控制信号控制双电源切换开关进行主、备电源切换，同时控制单元发送控制信号控制辅助供电单元开始向负载进行输出。

3、  控制单元发送控制信号控制辅助供电单元开始向负载进行输出，然后控制单元发送

控制信号控制双电源切换开关进行主、备电源切换。

本发明不仅适用于单相负载，也适用于多相负载，图6即显示了采用三相四线制的本发明双电源供电系统的一种具体实现电路。其中，S1、S2分别为两路电源，双电源切换开关的两个输入端分别与S1和S2相连，双电源切换开关的输出端与负载相连。如图所示，辅助供电单元的输入端与电源S2相连，通过整流桥将交流电转变成直流电，再经过boost升压电路与逆变单元的输入端相连。逆变单元的直流母线储能采用电容C1、C2串联储能，负载的零线同C1、C2中点相连，逆变单元的输出端同负载端相连。控制单元分别与检测单元、双电源切换开关和逆变单元相连，负责接收检测单元输出的检测信息，并对双电源切换开关和逆变单元进行控制。检测单元实时检测电源S1、S2电压信息，判断S1电压是否发生跌落或抬升。通过整流桥将交流电转变成直流电，并对大容量储能电容C进行充电。控制单元控制boost升压电路对输出电压升压，将C1、C2两端总电压抬升至800V。控制单元控制逆变单元中的三相逆变桥将直流电转变成交流电，经过LCL滤波器输出至负载。

上述双电源供电系统的工作流程如图7所示，具体如下：

检测单元实时检测电源S1、电源S2的电压信号e₁、e₂，计算电源S1电压的有效值V_1rms，并对S1、S2进行锁相；

假设负载正常工作的电压有效值范围为[V_rmsMIN，V_rmsMAX]，当V_rmsMIN≤V_1rms≤V_rmsMAX时，辅助供电单元工作于储能模式，电网电压经过整流桥向储能电容C充电，C两端电压经过boost升压电路，将C1、C2两端的总电压升至800V并保持恒定；双电源切换开关不进行切换，逆变单元不对负载输出电能，负载端电压U_a、U_b和U_c与电源S1电压相等；

当V_1rms<V_rmsMIN或V_1rms>V_rmsMAX时，控制单元控制双电源切换开关转换至电源S2，并且，控制辅助供电单元进入工作模式，辅助供电单元通过逆变单元向负载输出与电源S2同频、同相的电压，并控制输出电压U_a、U_b和U_c同时满足V_rmsMIN≤U_rms≤V_rmsMAX；

当双电源切换开关的转换完成后，控制单元控制逆变单元停止向负载输出电能。