[發明專利]后備式交流電源智能無縫切換系統

有效

• 申請號: 201210240137.5
• 申請日: 2012-07-12
• 公開（公告）號: CN102761170A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 胡天友;王海;張曉博
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02J9/06
• 分類號: H02J9/06
• 代理公司: 成都立信專利事務所有限公司 51100
• 代理人: 馮忠亮

1.后備式交流電源智能無縫切換系統，其特征在于負載分別通過第一、二防倒灌切換單元與主電源第一、二輸出端連接負載，分別通過第三、四防倒灌切換單元與后備電源第一、二輸出端連接，第一、三防倒灌切換單元相連接，第二、四防倒灌切換單元相連接，控制單元與驅動單元連接，驅動單元分別與各防倒灌切換單元連接，負載電流過零檢測電路有電流霍爾傳感器接入負載電路，其輸出經電阻、電容和放大器組成的調理電路后再經反饋放大及零電平比較后輸出脈沖波數字信號到控制單元，主電源電壓采樣及過零檢測電路端子的第一、二接口分別接主電源的第一、二輸出端(N₁)、(L₁)，輸入電壓經電阻按比例降壓，電容濾波，一路經過零檢測電路接控制單元，另一路電壓信號經放大后接控制單元，后備電源電壓采樣電路端子的第一、二接口分別接后備電源的第一、二輸出端(N₂)、(L₂)，電壓信號通過電阻按比例降壓，電容濾波，經第一放大器按比例縮小，再經第二放大器接控制單元，控制單元連接后備電源驅動單元，后備電源驅動單元連接后備電源逆變電路單元的開關器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)，開關器件輸出經過第一、二結點(Ta)、Tb)連接后備電源LCL濾波電路，經過濾波后連接到后備電源的第一、二輸出端(N₂)、(L₂)。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于防倒灌切換單元和開關器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)由一只絕緣柵雙級型晶體管IGBT與一只反并聯二級管組成，防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管的門極與驅動單元連接，其集電極與二極管負極連接，其發射極與二極管正極連接，集電極與負載相連，發射極與主電源或后備電源連接，第一、三防倒灌單元的二極管的負極相連，第二、四防倒灌單元的二級管負極相連，開關器件的門極與后備電源驅動單元連接，第一、三開關器件的發射極與二極管正極、后備電源正極，后備電源第二輸出端連接，第二、四開關器件的發射極分別經第一、二結點(Ta)，(Tb)與第一、三開關器件的集電極連接，第二、四開關器件的集電極與后備電源負極、第二結點(Tb)和第一輸出端(N₂)連接。

3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于驅動單元，后備電源驅動單元為集成塊M57962L，控制單元為集成塊TMS2000LF2407。

4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于控制單元連接后備電源逆變電路單元，通過控制程序調整后備電輸出電壓相位、幅值與頻率，過程為：控制單元根據主電源電壓采樣及過零檢測電路采集的相位、頻率和幅值輸出設定好相位、頻率和幅值信息的正弦脈寬調制信號(SPWM)，輸出至后備電源驅動單元，后備電源驅動單元驅動后備電源逆變電路單元的開關器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)按照正弦脈寬調制信號進行開關動作，輸出逆變波形，經過后備電源LCL濾波電路濾波后連接到后備電源的第一、二輸出端(N₂)、(L₂)。

5.根據權利要求3所述的系統，其特征在于主電源和后備電源的切換流程如下：控制單元的捕獲單元設置為只捕捉上升沿，即捕獲信號的相位過零點，捕獲單元使用Tx定時器，Tx設為單增記數模式，主電源電壓采樣及過零檢測電路和負載電流過零檢測電路分別將主電源的電壓波形和負載電流的波形變換為方波信號送入控制單元，控制單元一旦檢測到主電源電壓轉換過后的方波信號的上升沿，則令主電源相位指針p_phase＝0，并且控制單元的捕獲單元會自動把Tx的當前計數值讀入到控制器堆棧中，根據連續沿兩次上升捕獲的的時間差值，計算主電源的頻率，控制單元一旦檢測到負載電流轉換過后的方波信號的上升沿，零負載電流相位指針p_current＝0，在以后每進入一次采樣中斷子程序令相位指針p_phase的值i₁和p_current的值i₂加1，這樣讀取相位指針p_phase和p_current的值就能知道當前主電源的相位值和當前負載電流的相位值，如相位指針p_phase的值為i₁，則主電源當前相位值為i₁*360°/M，M為一個主電源周期中的采樣次數，在控制單元中的存貯單元中存儲正弦值SINTAB[i]＝V*|sin(i₁*360°/M)|，其中i₁＝0，1，2…M-1，其幅值V為峰值電壓311V的k倍，其中k取0.85，

切換過程分三種情況：

(1)主電源正常：

主電源電壓采樣及過零檢測電路輸入控制單元的方波信號經控制單元采樣計算正弦值，與設定正弦值SINTAB[p_phase]比較，如果連續n次大于設定值V，則判定主電源正常：驅動單元保持第一、二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管導通，第一防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管與第二防倒灌切換單元的反并聯二極管組成負載電流的正向通路，第二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管與第一防倒灌切換單元的反并聯二極管組成負載電流的反向通路；驅動單元使第三、四防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管關斷，第三、四防倒灌切換單元中的反并聯二極管也不導通，這時在主電源正常時，只有主電源對負載供電，后備電源的供電通路被切斷，

在主電源正常時，在主電源電壓過零時刻，控制器調整后備電源的輸出電壓的相位使其與主電源的相位相同，調整過程如下：讀取控制單元中存儲的后備電源的相位指針值i₃，如果后備電源的相位指針信號為0，則代表后備電源輸出電壓與主電源輸出電壓的相位一致，控制器通過主電源的正弦值輸出的正弦脈寬調制信號，經后備電源逆變電路單元將后備電源的頻率設置為捕獲單元捕獲到的主電源的頻率；如果后備電源的相位指針值i₃為1到M/(2-1)，即后備電源的電壓相位超前主電源電壓相位0.45度到180度，控制器通過輸出的正弦脈寬調制信號，經后備電源逆變電路單元則減小后備電源的輸出電壓波形的頻率，根據相位差值，將Tx定時器周期寄存器加1實現減小后備電源電壓頻率，逐步跟蹤上市電相位；如果后備電源的相位指針信號i₃為M/2到(M-1)，即后備電源的電壓相位滯后于主電源的電壓相位0.45度到180度，控制器通過輸出的正弦脈寬調制信號，經后備電源逆變電路單元則增加后備電源的輸出電壓波形的頻率，根據相位差值，將Tx定時器周期寄存器減1實現增加后備電源電壓頻率，逐步跟蹤上市電相位。如果再次檢測到后備電源的相位指針信號為0，則代表后備電源輸出電壓與主電源輸出電壓的相位一致，鎖相完成。控制器通過主電源的正弦值輸出的正弦脈寬調制信號，經后備電源逆變電路單元將后備電源的頻率設置為捕獲單元捕獲到的主電源的頻率；

在主電源正常時，調整后備電源的輸出電壓的幅值使其與主電源的幅值保持一致：用后備電源的輸出電壓的幅值減去主電源電壓幅值，如果差值大于零，則減小后備電源的輸出電壓的幅值，如果差值小于零，則增大后備電源的輸出電壓的幅值，如果差值等于零，則后備電源的輸出電壓的幅值保持不變，

(2)主電源不正常切換至后備電源：

如果主電源電壓采樣及過零檢測電路輸入的方波信號連續n次不大于設定正弦值SINTAB[p_phase]，判定主電源不正常，則切換為后備電源為負載供電，分為4個步驟實現：

步驟1，負載電流過零檢測電路檢測并判斷出正負半周期信號送入控制單元，驅動單元根據負載電流過零檢測信號動作：如果負載電流是正半周期則先關斷第一防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則先關斷第二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟2，完成步驟1間隔1毫秒后：如果負載電流是正半周期則開通第三防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則開通第四防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟3，完成步驟2間隔1毫秒后：如果負載電流是正半周期則關斷第二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則關斷第一防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟4，完成步驟3間隔1毫秒后：如果負載電流是正半周期則開通第三防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則開通第四防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

上述過程順序開通和關斷防倒灌切換單元和設置間隔時間保證了負載單元在切換過程中始終形成電流通路，切換過程不會因為系統誤判斷主電源故障而造成的負載斷電，

(3)當主電源恢復正常，調整后備電源的輸出電壓的波形，具體調整方式如情況(1)中所述調整方式一樣，使后備電源輸出電壓與主電源電壓同頻同相同幅值，然后在主電源電壓或負載電流過零點時，則切換為主電源為負載供電，分為四個步驟：

步驟1，負載電流過零檢測電路檢測并判斷出正負半周期信號送入控制單元，驅動單元根據負載電流過零檢測信號進行如下動作：如果負載電流是正半周期則先關斷第三防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則先關斷第四防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟2，完成步驟1間隔1毫秒后：如果負載電流是正半周期則開通第二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則開通第一防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟3，完成步驟2間隔1毫秒后，如果負載電流是正半周期則關斷第四防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則關斷第三防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

步驟4，完成步驟3間隔1毫秒后，如果負載電流是正半周期則開通第一防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管，如果負載電流是負半周期，則開通第二防倒灌切換單元的絕緣柵雙級型晶體管；

上述過程順序開通和關斷防倒灌切換單元和設置間隔時間保證了負載單元在切換過程中始終形成電流通路，切換過程不會因為系統誤判斷主電源故障而造成的負載斷電。