CN101443977B - 电源系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电源系统S，其包括具有标称电压VN和标称电流IN的功率输入端(2)和AC功率输出端(3)的功率处理器(1)以及并联连接在所述功率处理器(1)的所述功率输入端(2)和所述AC功率输出端(3)之间的电源安全电路(6)。所述电源安全电路(6)的目的在于在所述AC功率输出端(3)的下游发生短路状况时提供附加电流，以触发连接到短路负载(5)的单独的断路器(4)的打开。为此，所述电源安全电路(6)包括双向开关(7)、用于在检测所述AC功率输出端(3)的下游短路状况之后闭合所述双向开关(7)的控制装置(12)、以及串联连接到所述双向开关(7)以将流经所述后备电源电路(6)的电流限制到αI_Nout的最大电流的限流器(9)，其中α的值在5与20之间，优选地在7与13之间，并且最优选地大约为10，所述限流器(9)优选地为阻抗器。本发明还包括操作所述电源系统S的方法。

Description

电源系统和方法

技术领域

本发明涉及电源系统领域，并且尤其涉及用于临界负载的电源系统领域。

背景技术

通过提供至少一个功率处理器和断路器来保护提供有AC功率的临界负载是公知的，其中至少一个功率处理器例如用于过滤电源电压中的谐波并且断路器在临界负载短路的情况下保护所述电路免受过电流的损害。然而，这样的功率处理器具有弱的过电流保护能力。为此，如图1所示，最接近的现有技术的电源系统除了包括串联连接在具有标称输入电压V_Nm的功率输入端2和具有标称输出电压V_Nout及标称输出电流I_Nout的AC功率输出端3之间的功率处理器1(在该示例中为AC/DC/AC变换器)和第一双向开关16之外，还包括在所述功率输入端2和AC功率输出端3之间并联连接到所述功率处理器1的后备电源电路6，该后备电源电路6可以包括第二双向开关7和控制装置(未示出)，该控制装置用于在通过例如检测所述功率处理器1的AC功率输出端3处的电压是否下降到以小于所述标称输出电压V_Nout的80％设置的阈值以下而检测AC功率输出的下游短路状况之后，打开第一双向开关16并且闭合第二双向开关7。因此，电源安全电路6在通过单独的断路器4连接到其上的临界负载5处短路的情况下将旁路该功率处理器1。类似的电源系统和方法在国际专利申请WO2004/102785中有所公开。

该结构具有如下缺点：功率处理器1上游的较高额定(rated)的断路器8会与功率处理器1下游的单独的断路器4同时打开。因此，如所示出的，如果功率处理器1连接到多个负载5，则其中一个负载的短路将导致到所有负载的电源中断。对于临界负载，这当然是不希望的，但是为每一个单独的临界负载提供其自己的功率处理器和相应的双向开关将复杂而且昂贵。

发明内容

本发明的电源系统通过在所述后备电源电路中还包括串联连接到所述双向开关以将流经所述后备电源电路的电流限制到αI_Nout的限流器，其中α的值在5与20之间，优选地在7与13之间，并且最优选地大约为10。所述α的值可以按照功率网络规范(阻抗、反馈器的短路功率、短路电压、……)和断路器规范(延迟曲线、标称电流、温度、……)的函数进行选择。

必须注意，限流器并不是在一定阈值之上一概地中断所述电流的保险丝或断路器，而是一种用于将流经后备电源电路的电流限制到所述最大值的装置。

通过提供该限流器，本发明确保了在连接到所述至少一个断路器之一的一个临界负载中发生短路的情况下，仅有足以触发该特定断路器的附加电流的峰值流经所述电源安全电路，而任何上游的高额定断路器并不打开。此外，与现有技术中在开关7闭合时将临界负载直接连接到功率输入的设备相比，根据本发明的系统具有限流器在开关7闭合时用作功率输入和临界负载之间的滤波器的优点。

优选地，该限流器为具有如下阻抗值的阻抗器，特别是电阻器，

$\frac{V_{\mathrm{Nin}}}{{\mathrm{\αI}}_{\mathrm{Nout}}}.$

这样的阻抗器作为限流器的优点在于其可靠、简单而且便宜。该阻抗器也可以实施为电感器而非电阻器。然而，这具有在切断处产生过电压并且在电流和电压之间产生相移的缺点。

优选地，所述控制装置还提供用于在所述双向开关已经闭合预定时间段之后打开所述双向开关，所述预定时间段优选地为20毫秒。由于开关在很有限的时间段内闭合，与现有技术的设备相比，基本上降低了能量损耗。此外，这改善了阻抗器和双向开关的寿命。

优选地，本发明的电源系统的双向开关是双向晶闸管。在现有技术中，由于双向晶闸管还不足够稳健来处理现有技术的电源安全电路处电压和电流的快速变化，所以以两个反并联的可控硅整流器的形式实现该双向开关。本发明的附加优点在于，通过使功率安全电路处的电压变化变慢，能够由更便宜、更简单的单个双向晶闸管代替现有技术的两个反并联可控硅整流器。然而，可选地，仍然可以以两个反并联的可控硅整流器或足够快的任何其它双向开关(例如MOS、IGBT或晶体管开关)来实施所述双向开关。

本发明还包括提供附加电流以在临界负载发生短路状况时打开将功率处理器的AC功率输出连接到所述临界负载的单独的断路器，所述AC功率输出具有标称输出电压V_Nout和标称输出电流I_Nout，所述方法包括如下步骤：

在所述功率处理器的功率输入和所述AC功率输出之间提供并联连接到所述功率处理器的后备电源电路，所述功率输入具有标称输入电压V_Nm，并且所述后备电源电路包括优选地为双向晶闸管的双向开关以及串联连接到所述双向开关以将流经所述后备电源电路的电流限制到αI_Nout的限流器，其中α的值在5与20之间，优选地在7与13之间，并且最优选地大约为10；检测所述短路状况；以及闭合所述双向开关(7)。

附图说明

下面参照附图详细而非限制性地描述本发明，在附图中：

图1表示现有技术；

图2表示本发明的实施例，其中功率处理器包括AC/DC/AC变换器；以及

图3表示可选的实施例，其中功率处理器包括串联连接的AC/DC变换器和DC/AC变换器。

具体实施方式

现在参照图2，其示出了根据本发明的电源系统S，该电源系统S包括具有功率输入端2和AC功率输出端3的功率处理器1(在这种情况下，包括串联连接的AC/DC变换器10和DC/AC变换器11)，该功率输入端2具有标称输入电压V_Nin并且该AC功率输出端3具有标称输出电压V_Nout及标称输出电流I_Nout；以及在所述功率输入端2和AC功率输出端3之间并联连接到所述功率处理器1的后备电源电路6。在使用中，所述AC功率输出端3连接到几个并行的单独的断路器4，每一个断路器具有额定电流I_B。单独的断路器4的每一个的额定电流I_B低于AC功率输出端3的标称输出电流I_Nout。功率输入端2通过较高额定的上游断路器8连接到功率源(未示出)以满足断路器8的分离需求(上游断路器8的额定电流和切断(trip)参数(I²i)应该高于下游断路器4的额定电流和切断参数)并且每一个单独的断路器4连接到临界负载5。

后备电源电路6包括双向晶闸管形式的双向开关7、用于在检测到AC功率输出端3的下游短路状况之后闭合双向开关7的控制装置12、以及限流器9，在这种情况下，限流器9为具有如下阻抗值的阻抗器：

$\frac{V_{\mathrm{Nin}}}{{\mathrm{\αI}}_{\mathrm{Nout}}},$

其中α的值在5与20之间，优选地在7与13之间，并且最优选地大约为10。尽管在该示例中限流器9被实施为电阻器，但是其可以采取具有该阻抗值的任何设备的形式，例如电感器，或者可以采取适于限制(即约束，而非中断)流经后备电源电路6的电流的任何设备的形式，例如通过电子降压。

控制装置12可以被设置为在AC功率输出端3处的电压下降到所述标称输出电压V_Nout的至多80％的阈值以下，特别是V_Nout的20％的阈值以下和/或在AC功率输出端3处的输出电流上升到所述标称输出电流I_Nout的至少120％的阈值以上，特别是I_Nout的150％的阈值以上时，检测AC功率输出端3的下游短路状况。控制装置12也可以与功率处理器1分离或者一体形成。

如果临界负载5中的一个发生短路，则控制装置12将闭合双向开关7。由于双向开关7闭合，与流经功率处理器1的电流并行，附加电流将流经包括限流器9的后备电源电路6。选择限流器9以使得流经后备电源电路6的附加电流仅足够打开连接到短路的负载5的单独的断路器4而不会打开上游短路断路器8。

由于在打开单独的断路器4之后，后备电源电路6已经完成了其任务，所以该后备电源电路6有利地还包括用于在双向开关7已经闭合预定时间段之后将其自动打开的装置，该预定时间段优选地稍长于所述单独的短路断路器4的触发时间。例如，如果断路器4需要10毫秒打开，则双向开关7可以在闭合20毫秒之后打开。也可以通过输出电压来触发双向开关7的打开。可以在输出电压达到预定值时打开该开关，该预定值例如为0.8×V_Nout。按照这种方式，可以最小程度地影响其它临界负载5并且延长阻抗器9的寿命。该特征在功率处理器1为AC/DC/AC变换器时尤其有用，如图2的实施例所示，因为否则限流器9中的损耗将快速变得很高并且整体效率很差。由于双向开关在很短的时间段闭合，例如20毫秒，系统的效率不会受到电源安全电路6的影响。因而该后备电源电路为短时间脉冲电流电路。

在图2的实施例中，功率处理器1为AC/DC/AC变换器。如果例如由非线性负载5产生了谐波电流，该变换器将提供对AC功率输出端3处的电压的谐波过滤。可选的结构也可以实现相同的功能，例如图3中所示的串联连接到DC/AC变换器11的AC/DC变换器10。功率处理器1也可以结合其它特征，例如预防功率输入端2处的电源失效的备用电源。如所示出的，功率处理器1可以具有DC功率输入端13，其可以通过DC/DC变换器15连接到电池14。

可以设想将几个这样的电源系统S并联连接，如图4所示，以在这些电源系统S之间提供冗余并且分摊总负载。在这种情况下，每一个单独的断路器4的额定电流I_B必须低于并联连接的所有电源系统S的AC功率输出端3的标称输出电流I_Nout的和∑I_Nout。

尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本发明，但是很明显，在不偏离如在权利要求书中限定的本发明的更宽范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变化。因此，说明书和附图应该被认为是解释性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种电源系统(S)，包括：

-功率处理器(1)，其具有功率输入端(2)和AC功率输出端(3)，所述功率输入端(2)具有标称输入电压V_Nin，而所述AC功率输出端(3)具有标称输出电压V_Nout和标称输出电流I_Nout，所述功率处理器(1)在下游连接到至少一个下游断路器(4)，并且在上游连接到上游断路器(8)，所述至少一个下游断路器(4)用于其自身连接到临界负载(5)，相比于所述至少一个下游断路器(4)所述上游断路器(8)是较高额定的断路器；以及

-后备电源电路(6)，其在所述功率输入端(2)和所述AC功率输出端(3)之间与所述功率处理器(1)并联连接，所述后备电源电路(6)包括：

-采用双向晶闸管形式的双向开关(7)；以及

-控制装置(12)，用于在检测所述AC功率输出端(3)的下游发生短路状况之后闭合所述双向开关(7)，同时有电流流经所述功率处理器(1)，并且用于在所述双向开关(7)已经闭合预定时间段之后或在AC输出电压达到所述标称输出电压V_Nout的80％之后再次打开所述双向开关(7)；

其中所述电源系统的特征在于，所述后备电源电路(6)还包括串联连接到所述双向开关(7)的采用电阻器形式的限流器(9)，用于将流经所述后备电源电路(6)的所述电流限制到最大电流αI_Nout，其中α的值在5与20之间，从而在一个临界负载(5)中发生短路的情况下，流经所述后备电源电路(6)的附加电流仅足够打开连接到短路的负载(5)的单独的断路器(4)而不会打开所述上游断路器(8)。

2.根据权利要求1所述的电源系统(S)，其中α的值在7与13之间。

3.根据权利要求1所述的电源系统(S)，其中α大约为10。

4.根据权利要求1所述的电源系统(S)，其中所述电阻器具有如下电阻值：

$\frac{V_{\mathrm{Nin}}}{\mathrm{\α}{I}_{\mathrm{Nout}}},$

其中α的值在5与20之间。

5.根据权利要求4所述的电源系统(S)，其中α的值在7与13之间。

6.根据权利要求4所述的电源系统(S)，其中α大约为10。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的电源系统(S)，其中将所述控制装置(12)设置为：在所述AC功率输出端(3)处的所述电压下降到低于所述标称输出电压V_Nout的至多80％的阈值时和/或在所述AC功率输出端(3)处的所述电流上升到大于所述标称输出电流I_Nout的至少120％的阈值时，检测所述AC功率输出端(3)的下游的短路状况。

8.根据权利要求7所述的电源系统(S)，其中将所述控制装置(12)设置为：在所述AC功率输出端(3)处的所述电压下降到低于所述标称输出电压V_Nout的20％的阈值时和/或在所述AC功率输出端(3)处的所述电流上升到大于所述标称输出电流I_Nout的150％的阈值时，检测所述AC功率输出端(3)的下游的短路状况。

9.根据权利要求1到6中的任意一项所述的电源系统(S)，其中所述功率处理器(1)包括AC/DC/AC变换器。

10.根据权利要求1到6中的任意一项所述的电源系统(S)，其中所述功率处理器(1)包括DC/AC变换器(11)。

11.根据权利要求9所述的电源系统(S)，其中所述功率处理器(1)包括串联连接到所述DC/AC变换器(11)的AC/DC变换器(10)。

12.根据权利要求1到6中的任意一项所述的电源系统(S)，其中所述功率处理器(1)包括可连接到电池(14)的DC功率输入端(13)。

13.多个根据权利要求1到6中的任意一项所述的电源系统(S)，所述电源系统(S)并联连接。

14.多个并联连接的根据权利要求1到6中的任意一项所述的电源系统(S)，其中每一个功率处理器的标称输入电压V_Nin和标称输出电流I_Nout以及每一个后备电源电路(6)的最大电流基本上相同。

15.一种提供附加电流的方法，用于在临界负载(5)发生短路状况时打开在下游将功率处理器(1)的AC功率输出端(3)连接到所述临界负载(5)的单个断路器(4)，所述功率处理器(1)在上游连接到上游断路器(8)，所述功率处理器具有标称输出电压V_Nout和标称输出电流I_Nout，相比于下游断路器(4)所述上游断路器(8)是较高额定的断路器，所述方法包括如下步骤：

在所述功率处理器(1)的功率输入端(2)与所述AC功率输出端(3)之间提供并联连接到所述功率处理器(1)的后备电源电路(6)，所述功率输入端(2)具有标称输入电压V_Nin，并且所述后备电源电路(6)包括采用双向晶闸管形式的双向开关(7)和串联连接到所述双向开关(7)的采用电阻器形式的限流器(9)，所述限流器(9)用于将流经所述后备电源电路的所述电流限制到最大电流αI_Nout，其中α的值在5与20之间，从而流经所述后备电源电路(6)的附加电流仅足够打开连接到短路的负载(5)的所述单个断路器(4)而不会打开所述上游断路器(8)；

-检测所述短路状况；

-当检测到所述短路状况时，闭合所述双向开关(7)，同时有电流流经所述功率处理器(1)；并且

在所述双向开关(7)已经闭合预定时间段之后或在AC输出电压达到所述标称输出电压V_Nout的80％之后再次打开所述双向开关(7)。

16.根据权利要求15所述的方法，其中α的值在7与13之间。

17.根据权利要求15所述的方法，其中α大约为10。

18.根据权利要求15所述的方法，其中当所述AC功率输出端(3)处的所述电压下降到低于所述标称输出电压V_Nout的至多80％的阈值时和/或在所述AC功率输出端(3)处的所述电流上升到大于所述标称输出电流I_Nout的至少120％的阈值时，检测所述短路状况。

19.根据权利要求18所述的方法，其中当所述AC功率输出端(3)处的所述电压下降到低于所述标称输出电压V_Nout的20％的阈值时和/或在所述AC功率输出端(3)处的所述电流上升到大于所述标称输出电流I_Nout的150％的阈值时，检测所述短路状况。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定时间段为20毫秒。