專利名稱：用于提供高質(zhì)量電力的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供高質(zhì)量電力并進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，更具體地，涉及一種提供用于電話通信、數(shù)據(jù)處理和工業(yè)設(shè)備的不間斷直流電的改進(jìn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，商用交流電已被廣泛用作各種應(yīng)用(例如計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、電話電路和其它固態(tài)技術(shù)設(shè)備)的主要電源。盡管對交流電的使用日益增長，但是其中的各種問題是眾所周知的。例如，美國專利No.4,277,692、5,126,585以及5,483,463公開了對于改善交流電設(shè)備性能的實踐。盡管有了這些改善，但是交流電的許多缺陷仍未克服。具體地，仍然必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以用于大多數(shù)固態(tài)設(shè)備。許多交流電系統(tǒng)需要備用電池以及二級100％額定冗余電源(feeds)，并且交流電系統(tǒng)在提供所需電力和冗余方面仍然不足。此外，已經(jīng)證明配給交流電存在安全隱患、笨重并且價格昂貴。
許多人總是認(rèn)為直流電更有效和更可靠。然而，現(xiàn)有的產(chǎn)生直流電及其可調(diào)配給的能力仍是要克服的障礙。通常，使用化學(xué)電池和整流器來制造、配給重要直流電源并對其進(jìn)行備用。這些應(yīng)用中的電池有許多限制。當(dāng)電池老化后，容量降低到需要替換的程度，這產(chǎn)生了廢棄問題。此外，通過直流電池系統(tǒng)制造和提取大量電力的能力取決于電池的數(shù)量和大小，并且由于直流配電系統(tǒng)對于直流電壓降而言尺寸過大，所以需要龐大的配電系統(tǒng)。現(xiàn)代技術(shù)需要更多的電力，這將需要更高的直流電百分比(concentration)，以達(dá)到更高的工作水平。
盡管有這些和其它的缺點(diǎn)，但是化學(xué)電池仍廣泛用于在電信中心內(nèi)產(chǎn)生和存儲48V直流電，在數(shù)據(jù)中心的斷電期間為交流電壓系統(tǒng)提供另選的備用電源。例如，參見授予Bobry的美國專利No.5,010,469，其中使用了電池，并且在此通過引用并入其全部內(nèi)容，引用的程度使得它不與本公開相抵觸。此外，電源之間的切換是公知的問題，并且在提供所需電力時其會導(dǎo)致瞬間失效(lapse)。例如，參見授予Hammond等人的美國專利No.5,057,697，在此通過引用并入其全部內(nèi)容，引用的程度使得它不與本公開相抵觸。
過去，沒有可以用于在電信中心和數(shù)據(jù)中心內(nèi)經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生并高度可靠地配給高容量直流電的技術(shù)。直流電的使用更加可靠、更加廉價，并可以實現(xiàn)電力的極大節(jié)省，所以非常希望廣泛應(yīng)用可調(diào)(scaleable)直流電。然而，由于不能象交流變壓器那樣對直流電進(jìn)行調(diào)整以進(jìn)行配給，所以依賴于直流電的便捷接入的技術(shù)停滯不前。因此，需要一種系統(tǒng)來產(chǎn)生高度可靠的可調(diào)直流電壓，并經(jīng)濟(jì)地使用交流和直流組件，而不使用化學(xué)蓄電池。
此外，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)需要大量的布線以及調(diào)節(jié)設(shè)備，以對交流電壓源和負(fù)載進(jìn)行電互連。通常，這種電互連是非常龐大的并需要大量的銅。在數(shù)據(jù)中心和電信應(yīng)用中，雖然服務(wù)器上的開關(guān)式電源(“SMPS”)由交流來進(jìn)行饋電，但是這些開關(guān)式電源具備僅由直流來進(jìn)行供電的能力。這些交流驅(qū)動的SMPS產(chǎn)生熱量并消耗大量的電力，并且效率非常低。由于發(fā)熱量大以及有限的冷卻能力，所以必須將數(shù)據(jù)處理設(shè)備分散，以便于適當(dāng)?shù)睦鋮s，因此，數(shù)據(jù)中心用于處理設(shè)備的空間較少，并且具有總體下降的冷卻負(fù)載效率。因此，為了提高數(shù)據(jù)中心的效率，需要下述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提供所需的電力，并且可以通過相對小的互連設(shè)備來進(jìn)行互連，并且可以進(jìn)行操作而無需SMPS。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的一個目的是利用208-480伏三相交流電輸入來產(chǎn)生23-48VDC輸出電壓和電流，以對整個數(shù)據(jù)中心或者類似設(shè)施進(jìn)行供電。
本公開的另一個目的是利用一個交流主電源(utility)和應(yīng)急電源(優(yōu)選地為發(fā)電機(jī))作為輸入電源(main)和應(yīng)急饋電，以使系統(tǒng)在設(shè)備斷電的情況下可用。
在一個實施例中，該系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來形成回路(cycles)，重疊地(overlap)過渡到主電源、可選電源(optional)。該轉(zhuǎn)換開關(guān)連接一個應(yīng)急電源和一個主電源，并且當(dāng)發(fā)生手動啟動或者主電源掉電時，在兩者之間進(jìn)行切換。該發(fā)電機(jī)利用480/3/60輸入和500-600 VDC輸出來為配電板進(jìn)行供電，該配電板用于向橋接二極管整流器、住宅負(fù)載以及空調(diào)進(jìn)行供電。該整流器被設(shè)計為利用電抗器(reactor)來減少直流紋波(ripple)，該電抗器是為此而設(shè)計的。在另一實施例中，該系統(tǒng)利用與電源整流器的輸出并聯(lián)的飛輪免電池直流電源來產(chǎn)生500-600 VDC，并與整流器的輸出相連(tie into)。該系統(tǒng)利用來自整流器的直流輸出電力對飛輪進(jìn)行充電。當(dāng)電源整流器輸入端的交流電掉電時，該飛輪將所存儲的動力釋放到整流器的負(fù)載側(cè)，直到應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動并且已接管該重要負(fù)載為止。當(dāng)該應(yīng)急電源提供電力時，該應(yīng)急電源向負(fù)載供電，并且將飛輪裝置重新充電到100％，以使該系統(tǒng)做好準(zhǔn)備以最終恢復(fù)到主電源。在恢復(fù)或者主電源電力的持續(xù)穩(wěn)定了設(shè)定的時間段時，轉(zhuǎn)換開關(guān)將系統(tǒng)負(fù)載重新轉(zhuǎn)換到主電源。在該轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)電力的中斷將再次由飛輪電源沿相反方向橋接。
優(yōu)選地，將來自電源整流器的輸出的600 VDC配給整個設(shè)施，該設(shè)施減小了電線尺寸以及運(yùn)轉(zhuǎn)電力轉(zhuǎn)換器單元或PCU所需的電流，該P(yáng)CU將高電壓降低至可用的48 VDC，以對被設(shè)計為使用48 VDC的設(shè)備或計算機(jī)進(jìn)行供電。由此使得能夠?qū)τ嬎銠C(jī)供電，而不使用通常的開關(guān)式電源，由此改善了SMPS的低效率，節(jié)能達(dá)30％，并減小了配線圓密耳(circular mill)，降低了冷卻要求，消除了化學(xué)蓄電池的使用，并降低了其設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所需空間，并極大地提高了電力穩(wěn)定性。該屬性使得能夠?qū)⒏嗟闹匾覂?nèi)面積用于所需的電子設(shè)備，以提高商業(yè)價值。
在另一實施例中，在一些間隔確定的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)負(fù)載和距離，設(shè)置專門設(shè)計的DC到DC轉(zhuǎn)換器或者電力轉(zhuǎn)換單元(“PCU”)(利用絕緣柵雙極晶體管(以下稱為“IGBT”)技術(shù))、冗余電源或者30kW抽取器(drawer)以及感應(yīng)和啟動IGBT的5-20kHz直流控制器。可以通過總共多達(dá)兩個的獨(dú)立電力系統(tǒng)(提供高度可靠的斷電保護(hù))對PCU進(jìn)行供電。另外，PCU是高度防故障的，這又進(jìn)一步提高了該電力輸出的高質(zhì)量。IGBT有效地將線路側(cè)直流高壓轉(zhuǎn)換為次級低壓側(cè)電壓，該次級低壓側(cè)電壓保持有效，并通過初級側(cè)的電壓降嚴(yán)格控制為降到300 VDC。這種PCU與DC到DC變壓器非常類似?？梢詫㈦妷汉碗娏鲝腎GBT設(shè)備的輸出配給到利用48伏直流的本地或附近的(close)設(shè)備，而沒有由SMPS產(chǎn)生的電壓降和過熱的問題。可以通過在距離轉(zhuǎn)換器最遠(yuǎn)的設(shè)備處遠(yuǎn)程地設(shè)置傳感器來控制該電壓。
該高質(zhì)量電力系統(tǒng)的另一非常重要的概念是，利用復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)來去除由PCU進(jìn)行的向電信和數(shù)據(jù)處理負(fù)載有效輸送電力而產(chǎn)生的熱量。該P(yáng)CU向使用該技術(shù)的支架輸送電力。事實上，所有輸送的電力將由電子負(fù)載使用。這些負(fù)載將該電力完全轉(zhuǎn)化為熱量。目前的技術(shù)試圖盡可能地將多個設(shè)備緊湊地設(shè)置在小的空間內(nèi)。為了提供這種條件，設(shè)置了電源冷卻支架(PCR)，其能夠?qū)ξ挥谠撝Ъ艿撞康纳崞瑹峤粨Q器進(jìn)行液體冷卻，還設(shè)置了可變速的風(fēng)扇，其能夠有效地測量空氣并對該支架中達(dá)到20kW的計算機(jī)進(jìn)行冷卻。目前使用的最佳設(shè)備可以無需達(dá)到5-7kW。這些支架提供雙路饋電48伏直流配電，以避免多個電源之一斷電，從而提高了可靠性。
應(yīng)該理解，可以按照多種方式來實施本公開，包括并不限制為處理、裝置、系統(tǒng)、設(shè)備和方法。通過以下說明書和附圖，在此公開的系統(tǒng)的這些和其它獨(dú)有特性將變得顯而易見。


因此，與所公開系統(tǒng)相關(guān)的領(lǐng)域的技術(shù)人員可以參照以下附圖更容易地理解如何制造和使用該系統(tǒng)，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的靜態(tài)模塊的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的可移動模塊的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的第三模塊的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于提供直流電并進(jìn)行冷卻的機(jī)柜的立體圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖4的所連接的直流轉(zhuǎn)換單元的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的二極管電橋的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明克服了與電源相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的許多問題。通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，在此公開的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和其它特征將變得更加顯而易見，

了本發(fā)明的代表性實施例，其中相似的標(biāo)號表示相似的結(jié)構(gòu)單元。
參照圖1，使用機(jī)柜110來保護(hù)系統(tǒng)100免受這些單元的影響，并提供組件正常工作所需的適當(dāng)內(nèi)部環(huán)境。該環(huán)境優(yōu)選地為無冷凝的華氏40-104度。該系統(tǒng)100被設(shè)計為靜態(tài)或固定的。靜態(tài)機(jī)柜110容納除直流轉(zhuǎn)換器以外的所有組件。通常將這種系統(tǒng)100用于較大的電力應(yīng)用中，其中將600 VDC配電發(fā)送到設(shè)施(未示出)以及電力本地化的直流轉(zhuǎn)換器，該直流轉(zhuǎn)換器將該配電從600降到23-48 VDC。該系統(tǒng)100提供交流饋電，該交流饋電向位于該設(shè)施內(nèi)部的空調(diào)單元提供三相交流電，所以該機(jī)柜110被看作為用于該設(shè)施的自主式完全重要電源方案。
優(yōu)選地，應(yīng)急發(fā)電機(jī)單元112安裝在機(jī)柜110的外部，處于根據(jù)相鄰環(huán)境設(shè)計的容器114中。該容器114安裝在從電源機(jī)柜110的底部伸出的延伸軌上。該發(fā)電機(jī)112包括底座燃料源(sub base fuel supply)116，并且根據(jù)來自位于電源機(jī)柜110內(nèi)部的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)118的信號而啟動。通常，應(yīng)急發(fā)電機(jī)112使用燃料電池或渦輪單元，它們的容量根據(jù)應(yīng)用的要求為250kW或更大，并提供208-480伏或更高的三相交流電。該發(fā)電機(jī)具有輸出斷路器(未示出)，并在燃料源116中存儲有多達(dá)12小時或更長時間的燃料?？梢韵蛟撊剂显?16供應(yīng)天然氣以提供自動補(bǔ)充。該系統(tǒng)100可以被設(shè)計為在對設(shè)備產(chǎn)生廉價清潔電力的主要能量模式下運(yùn)行，由此降低總體能量消耗。通過主要能量模式，系統(tǒng)100產(chǎn)生電力并利用熱量副產(chǎn)品為用于對該系統(tǒng)100進(jìn)行冷卻的冷卻器提供動力。系統(tǒng)100可以單獨(dú)使用或并聯(lián)耦接使用，以提供額外的容量和/或可靠性。
自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(“ATS”)118優(yōu)選地對于三相三線VAC容量為400到1200安培。在美國專利No.4,761,563和5,646,833中公開了(但非限制)合適的ATS 118，在此通過引用并入其全部內(nèi)容。優(yōu)選地，ATS 118實際上為機(jī)械式的，并通過兩個單獨(dú)的電源來供電。ATS 118的一個電源是建筑物主電源供電(building utility feed)，而另一個是來自發(fā)電機(jī)112的供電。該主電源(或者正常供電)優(yōu)選地通過扭鎖或接線柱結(jié)構(gòu)120進(jìn)行連接，并在ATS 118的正常側(cè)終止。發(fā)電機(jī)112為開關(guān)118的應(yīng)急側(cè)供電。
在斷電時，ATS 118向發(fā)電機(jī)112發(fā)送啟動信號，并且在接收到設(shè)置電壓時，機(jī)械地斷開主電源供電，并將應(yīng)急電源連接到配電板122。如果需要，該應(yīng)用100可以具有重疊變換功能(overlap transfer)，并且當(dāng)主電源恢復(fù)時，反向執(zhí)行同樣的過程。該系統(tǒng)可以接收遠(yuǎn)程啟動或停止信號，并且可以在主要模式或備用模式下使用。
配電板122向所有的組件設(shè)備配給208-480、三相三線的交流電。該配電板122包括電源斷路器和更小的配電斷路器，優(yōu)選地具有模壓外殼，并且具有與ATS118相似的大小并與ATS118熔合。20-40kVA變壓器124用于住宅電力，即照明、加熱、冷卻等。
基于二極管的電源整流器126采用208直通中壓三相供電，并產(chǎn)生500-600VDC的輸出電壓。容量范圍優(yōu)選地為從150kW到500kW，或根據(jù)需要改變。通過使用電抗器來使波紋電流最小。直流飛輪系統(tǒng)128可以利用交流或者直流電來使動力飛輪旋轉(zhuǎn)并存儲能量，直到直流輸出總線下降到電源整流器電壓以下為止。在設(shè)定點(diǎn)，該直流飛輪系統(tǒng)128以直流電壓和電流的形式來釋放所存儲的能量，以向直流轉(zhuǎn)換器130提供恒定的電力，從而提供足夠的時間，以使得發(fā)電機(jī)112能夠達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，并接管主電源供電。
一旦主電源再次開始運(yùn)轉(zhuǎn)，直流飛輪128以相似的方式將轉(zhuǎn)換器橋接回主電源。在發(fā)電機(jī)112或者主電源供電恢復(fù)并為負(fù)載提供電力后，直流飛輪系統(tǒng)128以飛輪轉(zhuǎn)速的方式為動力飛輪重新充電，準(zhǔn)備為下一次斷電進(jìn)行橋接。該飛輪系統(tǒng)優(yōu)選地是封閉系統(tǒng)。在大型應(yīng)用中，直流飛輪系統(tǒng)128設(shè)置在地下，并且具有兆瓦范圍內(nèi)的容量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，直流飛輪系統(tǒng)128可以是并聯(lián)連接的多個動力飛輪，以構(gòu)成該直流飛輪系統(tǒng)。
直流斷開器132與直流轉(zhuǎn)換器130熔接。該直流斷開器或斷路器132的容量被設(shè)置為能夠接受在飛輪的電壓輸出低于推薦參數(shù)的情況下的電壓降。例如，如果發(fā)電機(jī)112啟動失敗，從而必須連續(xù)地嘗試啟動并達(dá)到線路電壓，則會出現(xiàn)不可接受的飛輪電壓降。當(dāng)動力飛輪降低速度時，輸出電壓降低。當(dāng)飛輪電壓降低時，電流升高，以將電力輸出保持在恒定水平。
一對直流轉(zhuǎn)換器或PCU 130接收來自整流器126的電力。直流轉(zhuǎn)換器使得由整流器126輸出的高電壓降低，以輸出使負(fù)載(即，固態(tài)技術(shù)設(shè)備)運(yùn)行的所需電壓。在較小的應(yīng)用(例如所示的50kW版本)中，直流轉(zhuǎn)換器130容納在機(jī)柜110中。在諸如150kW的較大應(yīng)用中，直流轉(zhuǎn)換器130可以位于建筑物內(nèi)盡可能地靠近負(fù)載。優(yōu)選地，可以對直流轉(zhuǎn)換器130雙路供電，并且直流轉(zhuǎn)換器130具有多個輸出。該直流轉(zhuǎn)換器130具有N+1控制和電源結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，該直流轉(zhuǎn)換器130將525-600 VDC轉(zhuǎn)換為可用的23-48 VDC。該直流轉(zhuǎn)換器130具有高頻感應(yīng)和控制電路，用于控制其中的IGBT的啟動。在以這種方式對IGBT進(jìn)行控制時，可以大大減小直流轉(zhuǎn)換器的物理尺寸，并顯著提高效率。例如，參見美國專利No.5,646,833。
假定機(jī)柜110可以設(shè)置在戶外。在戶外應(yīng)用中，直流轉(zhuǎn)換器130的48 VDC輸出通過扭鎖快速連接點(diǎn)134與建筑物相連。該直流轉(zhuǎn)換器130的輸出還可以連接到該建筑物內(nèi)或者該機(jī)柜110外部的公共饋電點(diǎn)，以構(gòu)成2+N結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在最遠(yuǎn)的負(fù)載點(diǎn)設(shè)置遠(yuǎn)程傳感器(未示出)，來向系統(tǒng)100提供輸入，以在該最遠(yuǎn)應(yīng)用點(diǎn)保持48 VDC輸出。該系統(tǒng)100還包括通用面板138，用于使其他應(yīng)用能夠接入住宅電力。
參照圖2，如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的，可移動系統(tǒng)200利用了上述系統(tǒng)100的相同原理。因此，使用由數(shù)字“2”而不是數(shù)字“1”開始的類似標(biāo)號來表示類似的單元。該可移動系統(tǒng)200被設(shè)計為使得能夠從一個區(qū)域容易地移動到另一個區(qū)域，從而可以在所需的區(qū)域中快速接入高質(zhì)量的電力。該可移動系統(tǒng)200容納有全部組件，并且從機(jī)柜210將輸出電壓輸送到設(shè)施中。通常，該可移動系統(tǒng)200用于1000-1500安培VDC的較低要求的應(yīng)用中。
參照圖3，如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的，經(jīng)擴(kuò)展的系統(tǒng)300利用了如上所述的系統(tǒng)100和200的相同原理。為了保證電力的可靠傳送，該系統(tǒng)300使用了交叉供電的單獨(dú)轉(zhuǎn)換器。因此，只要可能，使用由數(shù)字“3”而不是數(shù)字“1”或“2”開始的類似標(biāo)號來表示類似的單元。該系統(tǒng)300適于并被設(shè)置為用來向數(shù)據(jù)中心(未示出)提供電力。通常，數(shù)據(jù)中心需要經(jīng)調(diào)整的并由不間斷電源(以下稱為“UPS”)、電池或發(fā)電機(jī)提供備用的電源。配電單元(以下稱為“PDU”)通常配給480伏三相電力。為了使用，可以將該電力轉(zhuǎn)換為可用的120/208伏電力。該系統(tǒng)300是滿足數(shù)據(jù)中心的需求的擴(kuò)展應(yīng)用。
系統(tǒng)300包括冗余的一對電力模塊301。該電力模塊包括主要或備用的發(fā)電機(jī)312，該發(fā)電機(jī)可以是一個或更多個燃料電池或渦輪。在節(jié)能模式(其中發(fā)電機(jī)312或電源使用天然氣來產(chǎn)生電能)下，利用發(fā)電的副產(chǎn)品熱量來向吸收冷卻器提供能量，進(jìn)而用于冷卻數(shù)據(jù)中心或PCU。優(yōu)選地，PCU接收作為冷卻介質(zhì)的冷卻水，例如負(fù)載縮減(load curtailment)。
直流轉(zhuǎn)換器330位于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部并盡可能地靠近48VDC負(fù)載。這使得可以在遠(yuǎn)程位置將交流電整流為直流，以在數(shù)據(jù)中心的外部進(jìn)行配電，從而節(jié)省了昂貴的數(shù)據(jù)中心空間。不再需要使用變壓器和相關(guān)的交流設(shè)備，結(jié)果，減小了數(shù)據(jù)中心的電密集程度。在另一實施例中，可以消除對服務(wù)器上的SMPS的需求，并且這些服務(wù)器通過由系統(tǒng)330在中央總線情況下提供的直流電壓而運(yùn)行。SMPS的消除極大地減少了總體熱量以及電力消耗，并且通過減少電力并釋放冷卻空間，或者更集中地設(shè)計冷卻空間，以在每平方英尺內(nèi)容納更多的設(shè)備?？梢詰?yīng)用2+N情況下的直流轉(zhuǎn)換器330，并且可以簡單并有效地向計算機(jī)提供滿足或超過現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的99.9％至99.999％(3 to 5 nines)的可用性要求的可靠電力。簡言之，由于將AC-DC替換回UPS的AC拓?fù)洌⑶蚁薃C正弦波重構(gòu)、同步和并行電路的復(fù)雜性和費(fèi)用，所以減小了數(shù)據(jù)中心的電密集程度。系統(tǒng)300與PCR或系統(tǒng)410一起節(jié)省了安裝費(fèi)用、冷卻過程中的操作費(fèi)用，以及所有需要的交流電設(shè)備所需的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)空間。
在優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)300在數(shù)據(jù)中心外部生成600VDC的配電直流電壓。通常，系統(tǒng)300的容量可以在600到2000MW之間。至于提供如上所述到備用發(fā)電機(jī)312的轉(zhuǎn)換，由具有飛輪系統(tǒng)328的整流系統(tǒng)326來生成該600VDC。假定通過使用容量大約為150kW的直流轉(zhuǎn)換器330來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的600-48VDC的轉(zhuǎn)換。
每一個直流轉(zhuǎn)換器331都可以從兩個冗余系統(tǒng)301模塊接收兩個600VDC，從而在單個電力模塊301誤動作的情況下，也可以保持系統(tǒng)331的48 VDC輸出。配電板333位于直流轉(zhuǎn)換器331和電力模塊301之間。該配電板333具有直流斷路器或用來保護(hù)331設(shè)備的輸入的熔斷器335。
在優(yōu)選實施例中，直流轉(zhuǎn)換器330安裝在自主式冷卻支架系統(tǒng)410(參見圖4)中，這可以通過使用本地冷卻水源和冷卻水返回管(未示出)來消除由系統(tǒng)331或安裝在系統(tǒng)410中的計算機(jī)所產(chǎn)生的熱量。系統(tǒng)410具有作為系統(tǒng)331組件的容納和冷卻設(shè)備，以及用于安裝在系統(tǒng)410內(nèi)的獨(dú)立支架中的計算機(jī)技術(shù)的冷卻支架的雙重作用。該系統(tǒng)410具有一排支架，用于向其中的計算機(jī)系統(tǒng)提供所需的電力、冷卻以及結(jié)構(gòu)。這些支架對直流轉(zhuǎn)換器331進(jìn)行水冷，使得可以在該空間中應(yīng)用更多的技術(shù)，而不需要單獨(dú)的空調(diào)單元，進(jìn)一步減小了支撐數(shù)據(jù)或電信處理區(qū)域中的計算機(jī)所需的地板空間。
參照圖4，其示出了根據(jù)本公開的用于向商業(yè)建筑提供直流電的機(jī)柜410。該機(jī)柜410具有兩個門402a、402b，用于提供對其內(nèi)部的接入。在門402a后面，機(jī)柜410容納有多個直流轉(zhuǎn)換單元431，并且在門402b后面容納有負(fù)載(未示出)。在各個支架中還包括冷卻水冷卻旋管(未示出)和三個變頻驅(qū)動風(fēng)扇433，該三個變頻驅(qū)動風(fēng)扇433冷卻機(jī)柜410中的內(nèi)部空氣，從而防止來自電源或計算機(jī)設(shè)備的熱量進(jìn)入水中。在該優(yōu)選實施例中，機(jī)柜410具有容量分別為30kW的六個直流轉(zhuǎn)換單元431。結(jié)果，機(jī)柜410可以用作為冗余150kW直流電源。
參照圖5，其示出了與雙電源相連接的示例性直流轉(zhuǎn)換單元431的示意圖。如圖所示，可以相對容易并有效地配給高壓直流(例如525VDC)，但是在消耗點(diǎn)或其附近，電壓電平降低到可用電平(例如48VDC)。四條饋線403a-d向直流轉(zhuǎn)換單元431提供輸入電力。饋線403a和403d連接至相似的電力模塊401。該電力模塊401利用與系統(tǒng)100、200和300相同的原理。因此，為了簡化，不再重復(fù)對該理論和操作的重要說明。眾所周知，電力模塊401分別包括雙飛輪系統(tǒng)428，以提高過渡模式期間電力的可利用持續(xù)時間以及負(fù)載容量。饋線403b和403c連接至另選電源407。該另選電源407優(yōu)選地為傳統(tǒng)主電源。在另一實施例中，另選電源407是燃料電池、蓄電池、UPS、其他發(fā)電機(jī)、附加系統(tǒng)401或它們的組合。
仍參照圖5，直流轉(zhuǎn)換單元431包括兩個I/O板440a、440b。I/O板440a、440b用于將輸入電力引導(dǎo)到相鄰的直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b。I/O板440a接收電力饋線403a和403b。I/O板440b接收電力饋線403c和403d。各個I/O板440a、440b通過二極管電橋裝置450(參見圖6)來對相應(yīng)的兩條輸入電力饋線。二極管電橋裝置450用于保持恒定的輸出452，而不論二極管電橋輸入的極性如何變化。結(jié)果，例如，如果饋線403a誤操作(對于這種情況，還有饋線403b和403a)，則仍可以獲得適當(dāng)量的電力，以使直流轉(zhuǎn)換器模塊442a能夠產(chǎn)生足夠使負(fù)載運(yùn)行的電力。兩個直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b都分別由雙電源440a-b和440c-d進(jìn)行供電，其中從不同的源獲得各條饋線440a-d，兩個直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b的冗余實現(xiàn)了高度魯棒和高度可靠的系統(tǒng)。
各個直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b都產(chǎn)生足夠使負(fù)載運(yùn)行的電力。進(jìn)而，通過多個電力冷卻支架444(“PCR”)對來自直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b的輸出進(jìn)行傳送。PCR 444通過另一個二極管電橋裝置(未示出)來連接直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b的各個輸出，以使得單功能直流轉(zhuǎn)換器模塊442a、442b能夠充分地為負(fù)載供電。PCR 444還向負(fù)載(即，機(jī)柜410中的技術(shù)或計算機(jī))進(jìn)行配電。電力通過電力饋線405a、405b進(jìn)入PCR 444。如上所述，PCR 444內(nèi)的二極管電橋(參見圖6)接收電力饋線405a、405b，因此，為了使該系統(tǒng)提供電力，僅需要電力饋線405a、405b之一可操作。
各個直流轉(zhuǎn)換模塊431都產(chǎn)生大量的熱，為了保證正確的操作，需要將這些熱從機(jī)柜410中去除。通過PCR 444對機(jī)柜410進(jìn)行水冷，但是應(yīng)該理解，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員在審閱本公開的基礎(chǔ)上可以理解的那樣，其他的冷卻方法也是可行的。在一優(yōu)選實施例中，機(jī)柜110是可以從2700 North First Street，San Jose，California 95 134的Sanmina-SCI Corp.獲得的ECOBAYTM機(jī)柜?？梢酝ㄟ^公知的方式，來替換或重新構(gòu)造各個轉(zhuǎn)換器單元431，以使得能夠改變機(jī)柜410的容量和性能，以適合特定的應(yīng)用。
盡管參照優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解，在不脫離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，可以進(jìn)行多種變化和/或修改。
權(quán)利要求
1.一種利用重疊變換向負(fù)載提供高質(zhì)量電力的設(shè)備，其包括用于戶外使用的機(jī)柜；所述機(jī)柜內(nèi)的飛輪，用于存儲和釋放作為直流電壓的能量；以及開關(guān)，其可操作地連接到所述飛輪，并通過主電源和發(fā)電機(jī)源對其進(jìn)行供電，其中所述開關(guān)以三種模式進(jìn)行操作正常模式，其中該主電源向所述負(fù)載提供電力；過渡模式，其中所述飛輪向所述負(fù)載提供電力；以及備用模式，其中該發(fā)電機(jī)源向所述負(fù)載提供電力，其中當(dāng)電力輸出降到低于設(shè)定點(diǎn)時，所述開關(guān)向所述發(fā)電機(jī)源發(fā)送啟動信號，并進(jìn)入所述過渡模式，在所述過渡模式下，所述飛輪釋放存儲在其中的能量，以向所述負(fù)載提供直流電壓，直到所述發(fā)電機(jī)源可以向所述負(fù)載提供電力為止，當(dāng)所述發(fā)電機(jī)源能夠提供電力時，所述開關(guān)進(jìn)入備用模式，并且所述發(fā)電機(jī)源向所述飛輪供電，以對所述飛輪重新充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括整流器，其可操作地連接到所述飛輪的直流電壓輸出，以減少該直流電壓中的直流紋波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括配電板，其位于所述機(jī)柜內(nèi)，并由所述發(fā)電機(jī)源進(jìn)行供電，以熔接所述設(shè)備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中通過將直流輸出與整流器電壓進(jìn)行比較，來確定所述設(shè)定點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中在所述過渡模式下，所述主電源與所述飛輪一起向所述負(fù)載提供電力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)電機(jī)源是從由燃料電池、渦輪單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的組中選擇的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)電機(jī)源位于所述機(jī)柜內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括所述機(jī)柜內(nèi)的水冷卻系統(tǒng)，用于從所述機(jī)柜中去除熱量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，當(dāng)所述開關(guān)從備用模式轉(zhuǎn)換到正常模式時，所述飛輪向所述負(fù)載提供電力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括提供給所述發(fā)電機(jī)源的天然氣燃料，其中通過消耗天然氣燃料而產(chǎn)生的副產(chǎn)品熱量被用來為吸收冷卻器提供動力，該吸收冷卻器進(jìn)而對一區(qū)域進(jìn)行冷卻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括與所述主電源相連的整流器，用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述交流電壓是480VAC，而所述直流電壓是600VDC。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，還包括轉(zhuǎn)換器，用于將所述600VDC降低為在負(fù)載端的48VDC。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述負(fù)載是不具有開關(guān)式電源的計算機(jī)。
15.一種系統(tǒng)，用于接收主交流電作為輸入，并可靠地提供用于固態(tài)技術(shù)的直流電，該系統(tǒng)包括a)用于提供可靠電力的至少兩個電力模塊，各個電力模塊都包括選擇性啟動的備用電源；第一裝置，用于接收主電源并確定所述主電源和所述備用電源何時是足夠的；飛輪系統(tǒng)，用于在所述主電源不足時提供過渡電力；以及切換機(jī)構(gòu)，用于在確定所述主電源不足時變換到使用所述飛輪系統(tǒng)，激活所述備用電源，并在確定所述備用電源足夠之后變換到使用所述備用電源；以及b)電力轉(zhuǎn)換模塊，其包括機(jī)柜；以及安裝在所述機(jī)柜內(nèi)的多個底架，每一個底架都具有第一I/O板，用于接收另選電源以及所述多個電力模塊之一的交流輸出；位于所述第一I/O板上的二極管電橋，用于在只要所述另選電源和所述電力模塊中的至少一個足夠的情況下，輸出恒定電壓；以及轉(zhuǎn)換器，用于接收所述二極管電橋的輸出，并向所述機(jī)柜內(nèi)的負(fù)載輸出所需的直流電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述多個底架的所需直流電壓的功率總和是負(fù)載所需的兩倍，以提供冗余。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述另選電源是多個電力模塊。
18.一種用于向多個固態(tài)技術(shù)設(shè)備有效傳送電力的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個整流器，用于接收交流電壓并將該交流電壓轉(zhuǎn)換為高直流電壓；多條電纜，可操作地連接到所述至少一個整流器，用于將所述高直流電壓輸送給負(fù)載；以及至少一個轉(zhuǎn)換器，可操作地連接在所述電纜和負(fù)載之間，用于將所述高直流電壓降低為對所述負(fù)載供電所需的電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括第二整流器，用于接收交流電壓并將該交流電壓轉(zhuǎn)換為第二高直流電壓；以及二極管電橋，用于接收所述高直流電壓和該第二高直流電壓，以在所述系統(tǒng)中提供冗余。
全文摘要
系統(tǒng)(100)對交流電進(jìn)行調(diào)整，并生成被認(rèn)為不中斷并且實質(zhì)上高質(zhì)量的直流電。該系統(tǒng)(100)包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)(112)，該應(yīng)急發(fā)電機(jī)(112)包括底座燃料源(116)，并且根據(jù)來自位于電源機(jī)柜(110)中的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)(118)的信號而啟動。在斷電時，ATS(118)向發(fā)電機(jī)(112)發(fā)送啟動信號，并且在達(dá)到設(shè)定電壓時，機(jī)械地斷開主電源，并將應(yīng)急電源連接到配電板(122)。
文檔編號H02K7/02GK1742244SQ200380102749
公開日2006年3月1日 申請日期2003年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
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