[發明專利]冗余電源

有效

• 申請號: 200980136756.6
• 申請日: 2009-09-14
• 公開（公告）號: CN102150339A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: M·J·蘭帕德;R·D·威弗爾
• 申請（專利權）人: 庫帕技術公司
• 主分類號: H02J1/10
• 分類號: H02J1/10
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 毛力

本發明涉及一種冗余電源，具體涉及真正安全電路中的冗余，還涉及用于為了真正安全電路中的功能冗余將多個真正安全輸出多路復用的方法和裝置。

工業危險環境可包括存在潛在的爆炸性氣體或細粉末的混合物的場所。

真正安全是用來防止電氣設備在危險環境中引起爆炸的概念。真正安全(IS)系統包括位于該危險環境中的IS設備(稱為現場電路或現場設備)、位于電源與IS設備之間的不危險區域(或安全區域)中的功率限制裝置(IS阻隔或電隔離器)以及關聯的布線。在真正安全系統中，所有設備按照這樣的方式設計和安裝：即使在故障狀況下，這些設備也不會提供足以引發潛在的爆炸性氣體混合物爆炸的能量或功率。

可靠性是IS系統的特別重要的因素，其中對現場設備的易于操作性通常是非常受限的，而且關鍵部件的故障可能不僅成本高而且潛在的高度危險。系統中的部件或電路的冗余或重復是提高系統可靠性的一種方法，而且通常冗余地提供對安全很關鍵的電路，以使如果主電路出故障，則還存在能被激活的等效備用電路。

對于實時分布式控制系統尤其是具有危險區域的制造廠越來越常用的IS系統是基于真正安全現場總線系統的IEC標準(IEC?60079-27)的，該標準已被稱為現場總線真正安全概念(FISCO)。

在FISCO系統中，每個分段僅允許一個活動源(功率調節器或電源單元)。所有其它部件必須作為無源電流宿(設備)。在需要防止分段上的所有設備在維護的情況下都失效的系統中，可安裝一個或多個冗余電源單元(PSU)，以及用于在一個電源單元出故障或需要更換時在電源之間切換的裝置。

在歐洲，危險環境和防爆區域被分類為所謂的區(Zone)。在0區、1區和2區之間進行區分，0區是最敏感的區，其中可燃氣氛很可能長期或持續存在。在1區中，可燃氣氛可能存在但不太可能長期存在，而在2區中，除了很短時間之外，可燃氣氛不可能存在，存在的時間典型地是由處理故障狀況引起。

還存在公認的電氣裝置的三類真正安全，其對應于這些危險環境區：真正安全“ia”，或簡稱為“Ex?ia”，是適用于0、1和2區的設備；“Exib”設備僅適用于1和2區；以及“Ex?ic”設備僅適用于2區危險區域。

US2004/0252428描述了使用限流電阻器的用于防爆區域中的電氣負載的IS、冗余電流-電壓源的設備。

US2004/0145843描述了一種有源保護電路，其利用N溝道FET來隔離兩個或多個電源與共同負載的連接并對這些連接定序，并對電源進行電壓感測和反向偏壓感測來操作控制器。

與已知的IS冗余系統和方法相關聯的問題包括它們不能保證在電源轉換期間僅一個輸入電源連接至負載，等等。需要的是一種在轉換期間保證所有輸入電源從負載完全斷開的系統，以確保不安全狀況即多于一個的輸入電源同時連接至輸出負載的狀況不會發生。

因此，本發明的目的是提供一種符合所謂的冗余FISCO?PSU方案的要求的方法和系統，該FISCO?PSU方案要求兩個FISCO?PSU以待機冗余配置工作，同時它們的負載安裝于1區或2區危險區域，且該方案確保在任何時間點輸入電源中最多一個電源連接至輸出負載。

本發明尤其適合于在FISCO系統中實現，并為此類系統提供冗余PSU，但并不限于此。

本發明尋求提供一種為了IS電路的功能冗余而將IS輸出多路復用的方法，以及用于實現用于IS輸出的多路復用器的多級切換裝置。

根據本發明的第一方面，提供了一種為了功能冗余而將多個真正安全輸入多路復用的方法，該方法使用：連接至真正安全輸出的多個開關模塊；以及從多個真正安全的輸入源到多個相應的開關模塊的多個基本相同的輸入；其中，使用多個開關模塊中的每個開關模塊之間的多個聯鎖信號來允許在任何時間點開關模塊中最多一個開關模塊活動，從而允許來自多個輸入源的多個輸入中最多一個輸入連接至真正安全的輸出；以及還包括提供有保證的最小周期的步驟，其中在切換至替換開關模塊期間無輸入連接至真正安全輸出。

優選使用兩個開關模塊，以使在使用時一個開關模塊活動，同時另一個開關模塊冗余。

其中在切換至替換開關模塊期間無輸入連接至真正安全的輸出的有保證的最小周期優選為至少10μs(或者確保或證明安全性所需的任何最小周期)，且具有500μs的最大周期(或確保對任一所連接現場設備無不利功能影響所需的任何最大周期)。

優選地，如果活動開關模塊的輸入或活動開關模塊本身出故障，則輸出自動切換至替代的開關模塊。