專利名稱：具有兩個繼電器旁路電路的在線式不間斷電源及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源裝置及其操作方法，尤其是，涉及不間斷電源(UPS)裝置及方法。
背景技術(shù)：
許多常規(guī)的不間斷電源(UPS)采用在線式結(jié)構(gòu)。如圖1所示，典型的在線式串聯(lián)系列UPS10包括AC/AC變頻器電路12，其在負載處產(chǎn)生來自AC電源20，如公共線提供的AC輸入電壓的AC輸出電壓。如所示，AC/AC變頻器電路12可以包括整流器和逆變器的結(jié)合，其由能夠?qū)C電壓源20的干擾和其它損耗與負載30隔離的DC總線連接。典型地，DC總線也可以連接于輔助電壓源，如電池，其在AC電壓源斷掉時維持DC總線上的DC電壓。一些在線式UPS采用包括較復(fù)雜的如Δ轉(zhuǎn)換器或其它技術(shù)的電路拓撲結(jié)構(gòu)而不是串聯(lián)系列。
正常操作條件下，在線式UPS通過整流/逆變電路或類似的調(diào)節(jié)電路給負載供電，在UPS的輸出端提供相對凈化的和調(diào)節(jié)后的電壓，當AC電壓源20斷掉時，UPS 10可以實現(xiàn)不間斷過渡到電池電源，通常不需要改變轉(zhuǎn)換器開關(guān)的狀態(tài)。如圖1所示，UPS 10也可以包括旁路特性，這樣，如果例如AC/AC變頻器電路12發(fā)生故障或過載，負載30可以通過C型(雙刀雙擲)繼電器14斷開與AC/AC變頻器電路12(如輸出逆變器)的連接，并直接連接到AC電源20。這樣的特性還可以用于提供“經(jīng)濟”的操作模式，因為當負載轉(zhuǎn)換到旁路通路時可以降低與整流器/逆變器電路相關(guān)的功率損耗。
許多常規(guī)的低成本UPS采用“先斷后開”技術(shù)實現(xiàn)正常模式和旁路模式之間轉(zhuǎn)換，即，它們在C型繼電器14的狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間出現(xiàn)輸出電壓中斷。但是，如圖1所示，一些單元采用固態(tài)開關(guān)16，如，反并聯(lián)連接的可控硅整流器(SCR)，以平滑來自或者至AC電源20的負載30的轉(zhuǎn)換，直到C型繼電器14轉(zhuǎn)換。特別地，當從AC/AC變頻器電路12到AC電源20的負載30的變換開始時，固態(tài)開關(guān)16會在繼電器14觸發(fā)之后立即打開。由于固態(tài)開關(guān)16幾乎能夠瞬間地導(dǎo)通，所以在繼電器14的觸點在位置間移動的同時，AC電源20能夠通過固態(tài)開關(guān)16連接于負載30。同樣，當負載30回到AC/AC變頻器電路12的轉(zhuǎn)換開始時，固態(tài)開關(guān)16會在繼電器14觸發(fā)之后立即打開，并維持“on”狀態(tài)直到繼電器14的觸點完全轉(zhuǎn)換到AC/AV變頻器電路12。之后固態(tài)開關(guān)16關(guān)斷以斷開AC電壓源20和負載30之間的直接連接。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，在線式不間斷電源(UPS)包括設(shè)置為連接到AC電壓源的AC輸入和設(shè)置為連接到負載的輸出。UPS包括連接到AC輸入并操作產(chǎn)生來自AC電壓源的AC電壓的AC/AC變頻器電路。第一機械繼電器(如單刀單擲(SPST)繼電器)連接在AC/AC變頻器電路和輸出之間。第二機械繼電器(如另一SPST繼電器)連接在AC輸入和輸出之間。UPS進一步包括一控制電路，其操作控制第一和第二機械繼電器以選擇性地使UPS位于在線模式，其中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路與輸出相連接，第二機械繼電器將AC輸入從輸出或旁路模式斷開連接，其中第一機械繼電器斷開AC/AC變頻器電路與輸出的連接，第二機械繼電器將AC輸入連接到輸出。
根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，控制電路通過關(guān)斷第二機械繼電器同時維持第一機械繼電器在關(guān)閉狀態(tài)然后在預(yù)定的時間之后打開第一機械繼電器來使UPS位于旁路模式?？刂齐娐房梢赃M一步通過關(guān)斷第一機械繼電器同時維持第二機械繼電器在關(guān)閉狀態(tài)然后在預(yù)定的時間之后打開第二機械繼電器來使UPS位于在線模式。根據(jù)另一方面，控制電路操作運行第一和第二機械繼電器的至少一個作為超高速機械繼電器，如，通過施加相當高的線圈電壓以加速繼電器動作，隨后施加將繼電器維持在其新的狀態(tài)的降低的線圈電壓。這種方式下，可以實現(xiàn)由采用固態(tài)開關(guān)的旁路電路所提供的性能。
根據(jù)本發(fā)明的變形實施例，不需要利用固態(tài)開關(guān)就可以得到在線式UPS中在線和旁路模式之間相當平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換。因此，可以取消反向和/或自動防故障電路，潛在地降低UPS的復(fù)雜性和/或成本。本發(fā)明由裝置和方法具體體現(xiàn)。


圖1是表示常規(guī)的不間斷電源(UPS)的示意性框圖。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的UPS的示意性框圖。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的UPS的示意性框圖。
圖4是表示圖3所示的UPS的典型操作的波形圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖詳細全面地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以被包含在許多不同的形式中并且不應(yīng)該僅限制于此處實施例所列舉的結(jié)構(gòu)；而是提供這些實施例使得該公開的內(nèi)容詳細完整，而且對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說完全表達了本發(fā)明的范圍。附圖中，相同的標號表示相同的部件?？梢岳斫?，當說到一個部件“被連接”或“被耦合”到另一部件時，即指它可以直接與另一部件連接或耦合或者存在插入元件。相反，當說到一個部件“直接連接”或“直接耦合”到另一部件，則不存在插入元件。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的不間斷電源(UPS)200。UPS200包括設(shè)置成耦合到AC電源20(如AC公共線)的AC輸入201，和設(shè)置成耦合到負載30的輸出202。AC/AC變頻器電路210耦合到輸入201。第一機械繼電器，這里所示為一單刀單擲(SPST)繼電器220，用于使AC/AC變頻器電路210的輸出與輸出202耦合和斷開。第二機械繼電器230用于使AC輸入201與輸出202耦合和斷開?？刂齐娐?40，如繼電器驅(qū)動電路，控制第一和第二機械繼電器220、230。
圖2的結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點。尤其是，用機械繼電器220，230取代C型繼電器和固態(tài)開關(guān)的組合可以不必設(shè)置另外的防止反饋電路和提供符合調(diào)節(jié)要求的自動防故障操作。由于兩個繼電器220，230可以以“先開后斷”的方式操作，因此可以得到在線和旁路模式之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。
可以理解，UPS200的組成部分，如控制電路240，通?？删唧w采用分立電路，集成電路，設(shè)置成執(zhí)行軟件和/或固件的數(shù)據(jù)處理電路，以及它們的結(jié)合，例如，控制電路240可以包括微處理器，微控制器或其它數(shù)據(jù)處理電路與分立繼電器驅(qū)動電路如晶體管和邏輯電路元件的結(jié)合。進一步可以理解，全部或部分的這些電路可以集成在一個或多個設(shè)備上，如專用集成電路(ASIC)或混合電路。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的UPS300包括AC/AC變頻器電路310，第一和第二機械SPST繼電器K1，K2和控制電路340。AC/AC變頻器電路310包括輸入整流器312，其耦合到UPS300在與AC電源20連接處的AC輸入301。AC/AC變頻器電路310還包括通過中間DC總線315與整流器312耦合的輸出逆變器314。AC/AC變頻器電路310還包括連接到DC總線315的輔助DC電源316(如電池和DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)合)。第一機械SPST繼電器K1用于使逆變器314在與負載30連接處與UPS的輸出302耦合和斷開。第二機械SPST繼電器K2用于使AC輸入301與輸出302耦合或斷開?？刂齐娐?40控制機械SPST繼電器K1，K2和AC/AC變頻器電路310的操作。
圖4是圖3所示的UPS300的操作示例。開始，UPS處于旁路模式，即，給第一繼電器K1的線圈施加零電壓以維持其觸點在打開狀態(tài)O，而給第二繼電器K2的線圈施加電壓V1以維持觸點在閉合狀態(tài)C。為將負載30從AC電源20轉(zhuǎn)換到逆變器314，以使UPS300在“在線”模式動作，控制電路340首先用足以促使第一繼電器K1的觸點開始從打開狀態(tài)O轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)C的電壓V3驅(qū)動第一繼電器K1的線圈。隨著第一繼電器K1的觸點轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)C，控制電路340接著施加零電壓到第二繼電器K2的線圈以使第二繼電器K2的觸點從閉合狀態(tài)C轉(zhuǎn)換為打開狀態(tài)O。
為將負載30轉(zhuǎn)回到AC電源20使UPS300處于“旁路”模式，控制電路340施加電壓V2到第二繼電器K2的線圈以將其觸點從打開狀態(tài)O轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)C。第二繼電器K2的觸點轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)C之后，控制電路340施加零電壓到第一繼電器K1的線圈以使其觸點從閉合狀態(tài)C轉(zhuǎn)換為打開狀態(tài)O。如所示，第二繼電器K2可以是“超高速”繼電器，如控制電路340可以在施加較低的維持繼電器K2在閉合狀態(tài)的電壓V1之后，施加相對高的電壓V2以使第二繼電器K2轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)C。在這種方式中，在許多故障場合可以采用近似常規(guī)的利用固態(tài)開關(guān)的設(shè)計。應(yīng)該相信，這樣的操作可以得到比使用標稱線圈電壓至少快50％的操作。
典型的DC繼電器的線圈電流增加緩慢。尤其是，給線圈施加電壓后，除繼電器銜鐵的動作典型地改變繼電器的感應(yīng)系數(shù)，并因此影響通常的時間-電流關(guān)系式之外，線圈電流的形狀類似于電感中建立的電流。當銜鐵“就位”時，線圈電流通常表現(xiàn)為一個下降，之后線圈電流基于閉合繼電器的感應(yīng)系數(shù)而增加，直到達到取決于線圈阻抗的穩(wěn)態(tài)值。
通常施加高于額定線圈的電壓改變線圈中電流的建立方式。由于給線圈施加了較高的電壓，線圈電流足以開始比施加正常線圈電壓更容易使銜鐵發(fā)生移動。更快速增加的線圈電流可以增加施加給銜鐵的力，其可以減少第一次放電的時間(并且能夠增加接觸反彈，其在UPS的旁路模式操作中不算問題)。基于觸點的閉合，施加的電壓可以減小到維持觸點在閉合位置的電平。
提供這樣多電平驅(qū)動的電路是本領(lǐng)域公知的，這里不再詳細論述。例如，繼電器制造商已經(jīng)將這種特征用于一些大型DC電流接觸器。這種電流接觸器典型地具有線圈，其具有低電感和DC阻抗并且能夠快速移動銜鐵，但其不能夠持續(xù)經(jīng)受使觸點閉合的線圈電流的幅度。觸點轉(zhuǎn)換狀態(tài)后，這樣的電流接觸器可以減少采用其它串聯(lián)電阻的線圈中的電流，該電阻被轉(zhuǎn)換到一比線圈電流低的電平，該電平通過有效降低線圈兩端的電壓使觸點維持在閉合位置?？梢岳斫猓@些和其它使超高速繼電器動作的技術(shù)可以用于本發(fā)明。
也可以理解，第一繼電器K1可以是超高速繼電器，并且在UPS300轉(zhuǎn)換為“在線”模式中，可以以與第二繼電器K2類似的方式工作。但最好是第二繼電器K2快速動作。因此，第一繼電器K1可以用作“標準”繼電器，如不需要這樣的兩個電平驅(qū)動，其使得驅(qū)動電路簡單，低成本。
再參考圖3，控制電路340可以與AC/AC變頻器電路310相關(guān)操作。例如，控制電路340可以檢測AC/AC變頻器電路310的工作狀態(tài)，如負載，輸出電壓等。并且可以使繼電器K1，K2相應(yīng)地動作。也可以理解，在繼電器K1，K2都處于閉合狀態(tài)期間，這樣逆變器314和AC電源20都連接到負載30，控制電路340使得AC/AC變頻器電路310同步動作到AC電源20，以此減少逆變器314中的回流和其它因缺少同步而出現(xiàn)的不希望的現(xiàn)象。
例如，如圖3所示，控制電路340可以響應(yīng)于AC電源20產(chǎn)生的輸出電壓Va和逆變器314產(chǎn)生的輸出電壓Vb?？刂齐娐?40可以，例如，響應(yīng)于檢測到的AC電源20產(chǎn)生的輸出電壓Va和逆變器314產(chǎn)生的輸出電壓Vb之間的相位差，來調(diào)節(jié)逆變器314的工作頻率，并且響應(yīng)于檢測到的AC電源20的輸出電壓Va和逆變器314的輸出電壓Vb之間的幅度差，來調(diào)節(jié)逆變器314產(chǎn)生的輸出電壓Vb的幅度。例如，如果逆變器314的輸出電壓Vb滯后于AC電源20的輸出電壓Va，則控制電路340就增加逆變器314的工作頻率以減少將負載30轉(zhuǎn)換到逆變器314之前的相位誤差。相反，如果逆變器314的輸出電壓Vb超前于AC電源20的輸出電壓Va，則控制器340就相應(yīng)降低逆變器314的動作頻率以減少轉(zhuǎn)換之前的相位誤差。同樣，可以調(diào)節(jié)逆變器314的輸出電壓Vb的幅度，如，通過調(diào)節(jié)DC總線315上的DC電壓，使其基本與AC電源20的輸出電壓Va在負載30從AC電源20轉(zhuǎn)換到逆變器314之前的幅度匹配。隨著負載轉(zhuǎn)換到逆變器314，逆變器314產(chǎn)生的輸出電壓Vb的頻率和/或幅度可以被AC電源20產(chǎn)生的輸出電壓Va獨立控制。
附圖和說明書已經(jīng)公開了本發(fā)明的典型地優(yōu)選實施例，并且，雖然采用了專門的術(shù)語，但它們只用于一般的描述性的理解，沒有限制的目的，發(fā)明的范圍將在下面的權(quán)利要求中列出。
權(quán)利要求
1.一種在線式不間斷電源(UPS)，包括設(shè)置成耦合到AC電源的AC輸入；設(shè)置成耦合到負載的輸出；耦合到AC輸入并操作產(chǎn)生來自AC電源的AC電壓的AC/AC變頻器電路；耦合在AC/AC變頻器電路和輸出之間的第一機械繼電器；耦合在AC輸入和輸出之間的第二機械繼電器；控制電路，用于控制第一和第二機械繼電器以選擇性地使UPS處于在線模式或旁路模式，其在線模式中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路與輸出耦合并且第二機械繼電器將AC輸入從輸出斷開耦合，旁路模式中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路從輸出斷開耦合并且第二機械繼電器將AC輸入耦合到輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中第一和第二機械繼電器中的至少一個包括一單刀單擲(SPST)繼電器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中控制電路通過閉合第二機械繼電器，同時維持第一機械繼電器在閉合狀態(tài)然后在預(yù)定的時間之后打開第一機械繼電器來使UPS處于旁路模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中控制電路通過閉合第一機械繼電器，同時維持第二機械繼電器在閉合狀態(tài)然后在預(yù)定的時間之后打開第二機械繼電器來使UPS處于在線模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中控制電路操作使得第一和第二機械繼電器中的至少一個用作超高速機械繼電器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的UPS，其中只有第二機械繼電器用作超高速機械繼電器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的UPS，其中控制電路用于給第一和第二機械繼電器中的一個的線圈施加第一非零電壓以使第一和第二機械繼電器中的一個從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第二狀態(tài)，并給線圈施加小于第一非零電壓的第二非零電壓以維持第一和第二機械繼電器中的一個在第二狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的UPS，其中控制電路用于當?shù)谝缓偷诙C械繼電器的觸點轉(zhuǎn)換時，給第一和第二機械繼電器的各個線圈分別施加電壓，以此第二機械繼電器的觸點至少比第一機械繼電器的觸點轉(zhuǎn)換快50％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中控制電路響應(yīng)于AC/AC變頻器電路的狀態(tài)使第一和第二機械繼電器動作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中AC/AC變頻器電路包括整流器和逆變器的串聯(lián)組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的UPS，其中控制電路進一步用于操作控制AC/AC變頻器電路。
12.一種在線式不間斷電源(UPS)的操作方法，該方法包括提供耦合在UPS的AC/AC變頻器電路的輸出和UPS的輸出之間的第一機械繼電器；提供耦合在UPS的AC輸入和輸出之間的第二機械繼電器；操作第一和第二機械繼電器使UPS處于在線模式，其中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路耦合到輸出并且第二機械繼電器將AC輸入從輸出斷開耦合；和操作第一和第二機械繼電器使UPS處于旁路模式，其中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路從輸出斷開耦合并且第二機械繼電器將AC輸入耦合到輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中第一和第二機械繼電器中的至少一個包括一單刀單擲(SPST)繼電器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中操作第一和第二機械繼電器使UPS處于旁路模式包括閉合第二機械繼電器同時維持第一機械繼電器在閉合狀態(tài)；然后在預(yù)定的時間之后打開第一機械繼電器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中閉合第二機械繼電器包括使第二機械繼電器動作為一超高速機械繼電器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中第一機械繼電器不動作為一超高速機械繼電器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中使第二機械繼電器動作為一超高速機械繼電器包括給第二機械繼電器的線圈施加第一非零電壓以使第二機械繼電器從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第二狀態(tài)；和給線圈施加小于第一非零電壓的第二非零電壓以維持第二機械繼電器在第二狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中使第二機械繼電器動作為一超高速機械繼電器包括驅(qū)動第二機械繼電器的觸點比至第一機械繼電器的觸點至少快50％。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中操作第一和第二機械繼電器使UPS處于在線模式包括閉合第一機械繼電器同時維持第二機械繼電器在閉合狀態(tài)；然后在預(yù)定的時間之后打開第二機械繼電器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中閉合第一機械繼電器包括使第二機械繼電器動作為一超高速機械繼電器。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進一步包括響應(yīng)于AC/AC變頻器電路的狀態(tài)使第一和第二機械繼電器動作。
22.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中AC/AC變頻器電路包括整流器和逆變器的串聯(lián)組合。
全文摘要
一種在線式不間斷電源(UPS)包括設(shè)置成耦合到AC電源的AC輸入和設(shè)置成耦合到負載的輸出。UPS還包括耦合到AC輸入并操作產(chǎn)生來自AC電源的AC電壓的AC/AC變頻器電路；第一機械繼電器(如單刀單擲(SPST)繼電器)耦合在AC/AC變頻器電路和輸出之間。第二機械繼電器耦合在AC輸入和輸出之間。UPS進一步包括一控制電路，其用于控制第一和第二機械繼電器以分別使UPS處于在線模式或旁路模式，其在線模式中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路與輸出耦合而第二機械繼電器將AC輸入從輸出斷開耦合，旁路模式中第一機械繼電器將AC/AC變頻器電路從輸出斷開耦合而第二機械繼電器將AC輸入耦合到輸出。
文檔編號H02J7/00GK1599189SQ0312553
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者R·W·小約翰遜 申請人:帕爾威電力器具公司