專利名稱：電源系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)領(lǐng)域，并且尤其涉及用于臨界負載的電源系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過提供至少一個功率處理器和斷路器來保護提供有AC功率的臨界 負載是公知的，其中至少一個功率處理器例如用于過濾電源電壓屮的諧波 并且斷路器在臨界負載短路的情況下保護所述電路免受過電流的損害。然 而，這樣的功率處理器具有弱的過電流保護能力。為此，如圖1所示，最
接近的現(xiàn)有技術(shù)的電源系統(tǒng)除了包括串聯(lián)連接在具有標稱輸入iLUli 「A, ,的
功率輸入端2和具有標稱輸出電壓^ ,及標稱輸出電流/^,,的AC功率輸出 端3之間的功率處理器1 (在該示例中為AC/DC/AC變換器)和第一雙向 開關(guān)16之外，還包括在所述功率輸入端2和AC功率輸出端3之間并聯(lián)連 接到所述功率處理器1的后備電源電路6，該后備電源電路6可以包括第二 雙向開關(guān)7和控制裝置(未示出)，該控制裝置用于在通過例如檢測所述功 率處理器1的AC功率輸出端3處的電壓是否下降到以小于所述標稱輸出電 壓^, ,的80%設(shè)置的閾值以下而檢測AC功率輸出的下游短路狀況之后，打 開第一雙向開關(guān)16并且閉合第二雙向開關(guān)7。因此，電源安全電路6在通 過單獨的斷路器4連接到其上的臨界負載5處短路的情況下將旁路該功率 處理器1。類似的電源系統(tǒng)和方法在國際專利申請WO 2004/102785 'P冇所 公開。
該結(jié)構(gòu)具有如下缺點功率處理器1上游的較高額定(rated)的斷路 器8會與功率處理器1下游的單獨的斷路器4同時打開。因此，如所示出 的，如果功率處理器1連接到多個負載5，則其中一個負載的短路將導(dǎo)致到 所有負載的電源中斷。對于臨界負載，這當然是不希望的，但是為每一個 單獨的臨界負載提供其自己的功率處理器和相應(yīng)的雙向開關(guān)將復(fù)雜而且昂
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的電源系統(tǒng)通過在所述后備電源電路中還包括串聯(lián)連接到所述
雙向開關(guān)以將流經(jīng)所述后備電源電路的電流限制到《/一,的限流器，；it.屮"
的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且最優(yōu)選地大約為10。所 述a的值可以按照功率網(wǎng)絡(luò)規(guī)范(阻抗、反饋器的短路功率、短路屯壓、……) 和斷路器規(guī)范(延遲曲線、標稱電流、溫度、……)的函數(shù)進行選擇。
必須注意，限流器并不是在一定閾值之上一概地中斷所述電流的保險 絲或斷路器，而是一種用于將流經(jīng)后備電源電路的電流限制到所述最大值 的裝置。
通過提供該限流器，本發(fā)明確保了在連接到所述至少一個斷路器之-的一個臨界負載中發(fā)生短路的情況下，僅有足以觸發(fā)該特定斷路器的附加 電流的峰值流經(jīng)所述電源安全電路，而任何上游的高額定斷路器并不打丌。 此外，與現(xiàn)有技術(shù)中在開關(guān)7閉合時將臨界負載直接連接到功率輸入的設(shè) 備相比，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)具有限流器在開關(guān)7閉合吋用作功率輸入和臨 界負載之間的濾波器的優(yōu)點。
優(yōu)選地，該限流器為具有如下阻抗值的阻抗器，特別是電阻器，
《，
這樣的阻抗器作為限流器的優(yōu)點在于其可靠、簡單而且便宜。該阻抗 器也可以實施為電感器而非電阻器。然而，這具有在切斷處產(chǎn)生過電壓并 且在電流和電壓之間產(chǎn)生相移的缺點。
優(yōu)選地，所述控制裝置還提供用于在所述雙向開關(guān)已經(jīng)閉合預(yù)定時間 段之后打開所述雙向開關(guān)，所述預(yù)定時間段優(yōu)選地為20毫秒。由于開關(guān)在 很有限的時間段內(nèi)閉合，與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比，基本上降低了能量損耗。 此外，這改善了阻抗器和雙向開關(guān)的壽命。
優(yōu)選地，本發(fā)明的電源系統(tǒng)的雙向開關(guān)是雙向晶閘管。在現(xiàn)有技術(shù)屮， 由于雙向晶閘管還不足夠穩(wěn)健來處理現(xiàn)有技術(shù)的電源安全電路處電壓和電 流的快速變化，所以以兩個反并聯(lián)的可控硅整流器的形式實現(xiàn)該雙向開關(guān)。
6本發(fā)明的附加優(yōu)點在于，通過使功率安全電路處的電壓變化變慢，能夠由 更便宜、更簡單的單個雙向晶閘管代替現(xiàn)有技術(shù)的兩個反并聯(lián)可控硅整流 器。然而，可選地，仍然可以以兩個反并聯(lián)的可控硅整流器或足夠快的任
何其它雙向開關(guān)(例如MOS、 IGBT或晶體管開關(guān))來實施所述雙向丌關(guān)。 本發(fā)明還包括提供附加電流以在臨界負載發(fā)生短路狀況時打開將功率 處理器的AC功率輸出連接到所述臨界負載的單獨的斷路器，所述AC功率 輸出具有標稱輸出電壓FAW和標稱輸出電流，所述方法包括如下步驟
在所述功率處理器的功率輸入和所述AC功率輸出之間提供并聯(lián)連接 到所述功率處理器的后備電源電路，所述功率輸入具有標稱輸入電壓^",， 并且所述后備電源電路包括優(yōu)選地為雙向晶閘管的雙向開關(guān)以及串聯(lián)連接 到所述雙向開關(guān)以將流經(jīng)所述后備電源電路的電流限制到《/M) ,的限流器， 其中《的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且最優(yōu)選地大約為 10;檢測所述短路狀況；以及閉合所述雙向開關(guān)(7)。


下面參照附圖詳細而非限制性地描述本發(fā)明，在附圖中 圖1表示現(xiàn)有技術(shù)；
圖2表示本發(fā)明的實施例，其中功率處理器包括AC/DC/AC變換器；
以及
圖3表示可選的實施例，其中功率處理器包括串聯(lián)連接的AC/DC變換 器和DC/AC變換器。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)S，該電源系統(tǒng)S包括 具有功率輸入端2和AC功率輸出端3的功率處理器1 (在這種情況下，包 括串聯(lián)連接的AC/DC變換器10和DC/AC變換器11 )，該功率輸入端2具 有標稱輸入電壓^,,,并且該AC功率輸出端3具有標稱輸出電壓^ ,,,及標稱 輸出電流/ ；以及在所述功率輸入端2和AC功率輸出端3之間并聯(lián)連接 到所述功率處理器1的后備電源電路6。在使用中，所述AC功率輸出端3 連接到幾個并行的單獨的斷路器4，每一個斷路器具有額定電流^。單獨的
7斷路器4的每一個的額定電流/fl低于AC功率輸出端3的標稱輸出電流/,, ,,,。 功率輸入端2通過較高額定的上游斷路器8連接到功率源(未示出)以滿 足斷路器8的分離需求(上游斷路器8的額定電流和切斷(trip)參數(shù)(/2/ ) 應(yīng)該高于下游斷路器4的額定電流和切斷參數(shù))并且每一個單獨的斷路器4 連接到臨界負載5。
后備電源電路6包括雙向晶閘管形式的雙向開關(guān)7、用于在檢測到AC 功率輸出端3的下游短路狀況之后閉合雙向開關(guān)7的控制裝置12、以及限 流器9，在這種情況下，限流器9為具有如下阻抗值的阻抗器
w
其中《的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且最優(yōu)選地大約 為10。盡管在該示例中限流器9被實施為電阻器，但是其可以采取具有該 阻抗值的任何設(shè)備的形式，例如電感器，或者可以采取適于限制(即約朿， 而非中斷)流經(jīng)后備電源電路6的電流的任何設(shè)備的形式，例如通過電子 降壓。
控制裝置12可以被設(shè)置為在AC功率輸出端3處的電壓下降到所述標 稱輸出電壓、",的至多80。/。的閾值以下，特別是^,",的20%的閾值以下和/ 或在AC功率輸出端3處的輸出電流上升到所述標稱輸出電流/w的至少 120%的閾值以上，特別是/一的150%的閾值以上時，檢測AC功率輸出端 3的下游短路狀況?？刂蒲b置12也可以與功率處理器1分離或者一體形成。
如果臨界負載5中的一個發(fā)生短路，則控制裝置12將閉合雙向開關(guān)7。 由于雙向開關(guān)7閉合，與流經(jīng)功率處理器1的電流并行，附加電流將流經(jīng) 包括限流器9的后備電源電路6。選擇限流器9以使得流經(jīng)后備電源電路6 的附加電流僅足夠打開連接到短路的負載5的單獨的斷路器4而不會打開 上游短路斷路器8。
由于在打開單獨的斷路器4之后，后備電源電路6已經(jīng)完成了其任務(wù)， 所以該后備電源電路6有利地還包括用于在雙向開關(guān)7已經(jīng)閉合預(yù)定時間 段之后將其自動打開的裝置，該預(yù)定時間段優(yōu)選地稍長于所述單獨的短路 斷路器4的觸發(fā)時間。例如，如果斷路器4需要IO毫秒打幵，則雙向開關(guān) 7可以在閉合20毫秒之后打開。也可以通過輸出電壓來觸發(fā)雙向開關(guān)7的
8時打開該開關(guān)，該預(yù)定值例如為0.8x!;,,。
按照這種方式，可以最小程度地影響其它臨界負載5并且延長阻抗器9的 壽命。該特征在功率處理器1為AC/DC/AC變換器時尤其有用，如圖2的實 施例所示，因為否則限流器9中的損耗將快速變得很高并且整體效率很差。 由于雙向開關(guān)在很短的時間段閉合，例如20毫秒，系統(tǒng)的效率不會受到電 源安全電路6的影響。因而該后備電源電路為短時間脈沖電流電路。
在圖2的實施例中，功率處理器1為AC/DC/AC變換器。如果例如由非 線性負載5產(chǎn)生了諧波電流，該變換器將提供對AC功率輸出端3處的電壓 的諧波過濾?？蛇x的結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)相同的功能，例如圖3中所示的串聯(lián) 連接到DC/AC變換器11的AC/DC變換器10。功率處理器1也可以結(jié)合其它 特征，例如預(yù)防功率輸入端2處的電源失效的備用電源。如所示出的，功 率處理器1可以具有DC功率輸入端13，其可以通過DC/DC變換器15連接 到電池14。
可以設(shè)想將幾個這樣的電源系統(tǒng)S并聯(lián)連接，如圖4所示，以在這聘 電源系統(tǒng)S之間提供冗余并且分攤總負載。在這種情況下，每一個單獨的 斷路器4的額定電流/,必須低于并聯(lián)連接的所有電源系統(tǒng)S的AC功率輸出 端3的標稱輸出電流/^,的和Z/ ,。
盡管已經(jīng)參照具體的示例性實施例描述了本發(fā)明，但是很明顯，在不 偏離如在權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的更寬范圍的情況下，可以對這些實 施例進行各種修改和變化。因此，說明書和附圖應(yīng)該被認為是解釋性的而 非限制性的。
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權(quán)利要求
1、一種電源系統(tǒng)(S)，包括-功率處理器(1)，其具有功率輸入端(2)和AC功率輸出端(3)，所述功率輸入端(2)具有標稱輸入電壓VNin，而所述AC功率輸出端(3)具有標稱輸出電壓VNout和標稱輸出電流INout；以及-后備電源電路(6)，其在所述功率輸入端(2)和所述AC功率輸出端(3)之間與所述功率處理器(1)并聯(lián)連接，所述后備電源電路(6)包括-雙向開關(guān)(7)；以及-控制裝置(12)，用于在檢測所述AC功率輸出端(3)的下游發(fā)生短路狀況之后閉合所述雙向開關(guān)(7)，其中所述電源系統(tǒng)的特征在于，所述電源安全電路(6)還包括串聯(lián)連接到所述雙向開關(guān)(7)的限流器(9)，用于將流經(jīng)所述后備電源電路(6)的所述電流限制到最大電流αINout，其中α的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且α最優(yōu)選大約為10。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述限流器(9)是具 有如下阻抗值的阻抗器，其中a的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且"最優(yōu)選大約 為10。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述阻抗器是電阻器。
4、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其中將所述控制裝置 (10)設(shè)置為在所述AC功率輸出端(3)處的所述電壓下降到低于所述標稱輸出電壓^ ,的至多80%的閾值，特別是低于^ ,的20%的閾值時禾口/ 或在所述AC功率輸出端(3)處的所述電流上升到大于所述標稱輸出電流/ 的至少120%的閾值，特別是大于/^,的150%的閾值時，檢測所述AC 功率輸出端(3)的下游的短路狀況。
5、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述控制裝置(12) 還用于在所述雙向開關(guān)(7)已經(jīng)閉合預(yù)定時間段之后打開所述雙向開關(guān)(7)，其中所述預(yù)定時間段優(yōu)選為20毫秒。
6、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述雙向開關(guān)(7) 是雙向晶閘管。
7、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述功率處理器 (1)包括AC/DC/AC變換器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任意一項所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述 功率處理器(1)包括DC/AC變換器(11)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述功率處理器(1) 包括串聯(lián)連接到所述DC/AC變換器(11)的AC/DC變換器(10)。
10、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其中所述功率處理 器(1)包括可連接到電池(14)的DC功率輸入端(13)。
11、 一種系統(tǒng)，其包括多個并聯(lián)連接的根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的 電源系統(tǒng)(S)。
12、 多個并聯(lián)連接的根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電源系統(tǒng)(S)，其 中每一個功率處理器的標稱輸入電壓^,,，和標稱輸出電流/~以及每一個后 備電源電路(6)的最大電流基本上相同。，
13、 一種提供附加電流的方法，用于在臨界負載(5)發(fā)生短路狀況吋打開用于將功率處理器(1 )的AC功率輸出端(3)連接到所述臨界負載(5) 的單個斷路器(4)，所述AC功率輸出端(3)具有標稱輸出電壓F 和標 稱輸出電流；",，所述方法包括如下步驟在所述功率處理器(1)的功率輸入端(2)與所述AC功率輸Hi端(3) 之間提供并聯(lián)連接到所述功率處理器(1)的后備電源電路(6)，所述功率 輸入端(2)具有標稱輸入電壓^,"，并且所述后備電源電路(6)包括優(yōu)選 地為雙向晶閘管的雙向開關(guān)(7)和串聯(lián)連接到所述雙向開關(guān)(7)的優(yōu)選 地為電阻器的限流器(9)，所述限流器(9)用于將流經(jīng)所述后備電源電路 的所述電流限制到最大電流W ，其中a的值在5與20之間，優(yōu)選地在7 與13之間，并且a最優(yōu)選大約為10;-檢測所述短路狀況；-閉合所述雙向開關(guān)(7)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中當所述AC功率輸出端(3)處 的所述電壓下降到低于所述標稱輸出電壓F 的至多80%的閾值，特別是低 于〖；,的20。/。時和/或在所述AC功率輸出端(3)處的所述電流上升到大于 所述標稱輸出電流/^,的至少120%的閾值，特別是大于/^ ,的150%的閾值 時，檢測所述短路狀況。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，進一步包括如下步驟在所 述雙向開關(guān)(7)己經(jīng)閉合預(yù)定時間段之后重新打開所述雙向開關(guān)(7)，所 述預(yù)定時間段優(yōu)選為20毫秒。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電源系統(tǒng)S，其包括具有標稱電壓VN和標稱電流IN的功率輸入端(2)和AC功率輸出端(3)的功率處理器(1)以及并聯(lián)連接在所述功率處理器(1)的所述功率輸入端(2)和所述AC功率輸出端(3)之間的電源安全電路(6)。所述電源安全電路(6)的目的在于在所述AC功率輸出端(3)的下游發(fā)生短路狀況時提供附加電流，以觸發(fā)連接到短路負載(5)的單獨的斷路器(4)的打開。為此，所述電源安全電路(6)包括雙向開關(guān)(7)、用于在檢測所述AC功率輸出端(3)的下游短路狀況之后閉合所述雙向開關(guān)(7)的控制裝置(12)、以及串聯(lián)連接到所述雙向開關(guān)(7)以將流經(jīng)所述后備電源電路(6)的電流限制到αI_Nout的最大電流的限流器(9)，其中α的值在5與20之間，優(yōu)選地在7與13之間，并且最優(yōu)選地大約為10，所述限流器(9)優(yōu)選地為阻抗器。本發(fā)明還包括操作所述電源系統(tǒng)S的方法。
文檔編號H02H7/26GK101443977SQ200780015995
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月3日
發(fā)明者F·貝克爾, P·布勒, P·斯塔薩恩 申請人:Bps有限公司