CN1783640A - 对不间断电源中的隔离装置的完好性的检测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不间断电源(10)，其中在正常工作时自动地对隔离装置(14’)进行检测，以便确保其在应急工作时将输入端与备用电源进行有效隔离的能力。不间断电源(10)包括用于对主电源(1)进行耦合的输入端、用于与电气负载(2)进行连接的输出端、备用电源(16)和选择性隔离装置(14’)，所述选择性隔离装置用于在应急工作时将备用电源(16)与输入端隔离。第一装置(26，28)用于在正常工作时在测试周期(ΔT2)内建立隔离装置(14’)上的反向极性，和第二装置(30，24)对加在隔离装置(14)上的输入电压(Uin)成比例的电压进行监视和如果在测试周期(ΔT2)内被监视的电压(Uin)保持或超过第一基准电压(Uref2)，则输出一个故障信号(DTError)。

Description

对不间断电源中的隔离装置的完好性的检测
技术领域
本发明涉及一种不间断电源，特别涉及一种检测在不间断电源中应用的隔离装置的完好性的装置和方法，其中所述隔离装置用于在主电源中断时将备用电源与主电源进行隔离开。
背景技术
不间断电源(下面被称作UPS)用于在出现专用的主电源中断时确保在有限的周期内对电气负载的馈电。UPS通常具有主电源的输入端、用于连接电气负载的输入端、与输出端连接的诸如电池等的可再充电的能量存储单元和位于输入端与被互连的能量的存储单元/输出网络之间的开关，和用于检测在输入端上任何供电中断的传感器。在正常工作时(例如主电源在非中断时)，开关被闭合和允许能量从输入端流向能量存储单元和输出端。在应急工作时(例如主电源中断)，传感器对在输入端上的供电中断进行检测和激活开关将能量存储单元/输出网络与输入端断开。从而由能量存储单元继续保持对电气负载的供电。
在JP04-147076中披露了一种UPS，所述UPS还包括一个备用电池检测电路，所述检测电路用于对可再充电的电池(能量存储单元)的故障进行检测。
在应急工作时最重要的一点是，能量存储单元必须必须与被中断的主电源网络隔离开，这是因为否则大量的存储的能量将被迅速地向主电源网络放电和因此不能保持任何相宜的时间长度内对电器负载的供电。
大多数情况下仅在当要求UPS从正常工作切换到应急工作的实际状况下才对开关的隔离能力进行检测。很明显，如果在此情况下开关对能量存储单元与输入端的隔离失效，则当对电气负载的供电出现突然的下降和有时中断时，将导致灾难性的后果。
在EP-A-0309124中披露了一种UPS，所述UPS在应急工作时将检测电子隔离开关是否失效，和如果是效，则对机械隔离备用开关进行控制，将整个UPS电路与商用的交流输入端隔离开。但纯反应式的过程只在商用交流电源已经中断在应急工作时才生效。因此需要附加的机械隔离备用开关，以便确保避免能量从电池回流到被中断的商用交流电源。
发明内容
本发明的目的在于克服这些问题，提出一种不间断电源，其中在正常工作时在动作之前自动地对隔离装置进行检测，以便保证隔离装置在应急工作时可以有效地实现输入端与输出端和能量存储单元的隔离。
实现所述目的的技术方案如下：
一种不间断电源，包括：输入端，用于与主电源耦合；输出端，用于与电器负载连接；备用电源，和选择性的隔离装置，所述选择性的隔离装置用于在应急工作时将备用电源与输入端隔离开，其特征在于，还包括：第一装置，所述第一装置在正常工作期在测试周期内建立在隔离装置上的反向极性；和第二装置，对与加在隔离装置的输入电压成比例的电压进行监视和如果在测试周期内被监视的电压保持或超过第一基准值时，则输出一个故障信号。
一种用于对不间断电源中的选择性的隔离装置进行检测的方法，所述隔离装置用于在应急工作时将备用电源与输入端隔离开，其特征在于，在正常工作期在测试周期内建立在隔离装置上的反向极性；对与加在隔离装置上的输入电压成比例的电压进行监视；和如果在测试周期内被监视的电压保持或超过第一基准值，则输出一个故障信号。
故障信号表明隔离装置失效和因此需要采取修正措施。为在测试周期内将隔离装置的极性反向，可以a)降低隔离装置的输入电压，使之低于其输出或b)增大输出电压，使之高于输入。在上述两种情况下中的任何一种情况下，如果隔离装置失效，将会有反向电流流过隔离装置。
优选隔离装置是一个二极管，这是因为当二极管的极性反向时，二极管将自动地反偏压和从而认定其隔离状态。专业人员也可以联想到用串联的两个二极管替代一个二极管，以便增大容许的反向电压，或用两个并联的二极管，以便增大容许的正向电流。
另外隔离装置可以是一个开关。其中需要一个第三装置，以便在测试周期内对开关触发，切换到非导电状态。
优选备用电源是一个可再充电的能量存储单元和可以采用一个比较器对不间断电源的输出端上的电压与第二基准值进行比较和如果输出电压大于第二基准值，则输出一个测试起始信号。该比较器将提供一个对能量存储单元被充电的程度的明确的说明和只有当能量存储单元被充分的充电时，才允许开始测试。另外，如果测试周期充分地长，则使用者可以依赖于在首次充电与第一次测试之间的时间周期足够的长的事实，以便确保能量存储单元被充分地充电。
而且在不间断电源中也可以采用电池或通常的电容器组，根据本发明的优选实施例，可再充电的能量源是一个或多个超电容器。
根据本发明的优选应用，不间断电源包括在其输入端上的交直流变换器和所述不间断电源在电梯的交流电源与安装在电梯轿厢上的制动模块和控制器之间。
附图说明
下面将对照实施例并结合附图对本发明加以说明。图中示出：
图1为根据本发明的UPS的典型应用的概视图；
图2为根据本发明的第一实施例的UPS的电路图；
图3a-3f为表示图2所示电路不同节点上的电压曲线图；
图4示出替代图2示出的二极管的隔离装置；
图5示出用于降低二极管输入端上的电压的转换设置；
图6示出电路图，包括提高二极管输出端上的电压的装置和对二极管输入电压进行监视的转换装置；和
图7a-7c示的图6的电路中的不同的节点上电压曲线。
具体实施方式
图1示出UPS 10的典型的应用，其中UPS 10将主电源1与两个电磁制动模块2连接，所述电磁制动模块安装在在电梯设备竖井内的电梯轿厢上。用整体制动控制器对每个模块2进行激活，以便与导轨摩擦接合，从而使电梯轿厢停止运行。由于电梯的工作安全明显地取决于制动模块2和配合的制动控制器的电源的可靠性，所以安装有确保供电的UPS。如图所示，UPS 10包括交/直流转换器12、隔离装置14、两个可再充电的能量存储单元16(每个制动模块2配备有一个存储单元)和一个或两个用于检测隔离装置14完好性的检测器18。
在图2的电路图中详细地示出本发明的专门的实施例。交/直流变换器12将来自主电源1的标准的交流电压(220伏，50赫兹)转换成UPS 10直流输入电压Uin(48伏)。防电涌保护电路50对交/直流变换器12进行保护，从而使整个电源系统可以避免受到交流电源的过压电涌的有害作用。另外，将变换器12的电流限制在5安培，以便在出现短路时对变换器进行保护。交/直流变换器12提供的直流输入电压Uin通过扼流圈43和分给两个单独的但相同的网络N1和N2，每个网络分别提供一个直流输出电压Uout，所述电压被馈送给相应的制动模块2和配合的控制器。每个直流电源网络N1和N2具有一个串联的二极管14’和熔断器20以及一个并联的可在充电的超电容器16。在本实施例中二极管14’起着隔离装置14的作用。所述二极管正向偏压，从而使来自交/直流变换器12的电流流向相应的超电容器16和制动模块2，和对反向电流反向偏压。因此，在正常工作时来自主电源1的电流流过交/直流变换器12和二极管14’，以便对超电容器16充电和对制动模块2供电。当主电源1中断时，将导致交/直流变换器12提供的直流输入电压Uin下降，二极管14’将自动地反向偏压和因此避免来自超电容器16的电能回流到被中断的主电源1。此时仅采用储存在超电容器16内的电能对制动模块2进行有效供电。
一旦二极管14’过载时，二极管的品质将恶化和静电击穿将导致二极管毫无障碍地双向导电。在此情况下二极管14’不再能将超电容器16与被中断的电源1隔离开。下述的检测用于确认二极管的完好性和特别是确认在UPS 10正常工作时二极管14’的隔离能力。
由第一比较器22对每个网络N1和N2的直流输出电压Uout进行连续的监视。首先对超电容器16进行完全放电，当UPS 10首次与主电源1连接时，超电容器16开始充电和在直流网络N1和N2上的输出电压Uout由于交/直流变换器12的电流限制将线性升高(如图3b所示)。当输出电压Uout达到第一基准值Uref1时，来自比较器22的信号SOF将改变状态，以便确认超电容器16被充电到超过第一基准值Uref1的程度。
在正常工作时，二极管14’的完好性将被检测器18周期地进行检测，以便确认是否有某一个二极管14’被击穿，从而造成双向导电。检测器18包括一个用于接收来自第一比较器22的信号SOF的检测控制器24、一个接在扼流圈43输出端与接地之间的由电阻28和三极管26构成的串联网络，和第二比较器30，所述第二比较器30也与扼流圈43的输出端连接，以便对直流输入电压Uin进行监视。检测控制器24可以直接地，或通过制动控制器间接地连接在电梯控制器32上。
下面将对照附图3a-3f对UPS 10的功能和特别是对检测器18的功能加以说明，其中以简化和夸张的方式示出图2电路的不同节点上的电压曲线。UPS 10在时间t0上首先与主电源1连接。由变换器12提供的直流电压输入Uin线性升高到图3a所示的额定电压。电流从变换器12流过二极管14’，对超电容器16充电和直流输出电压Uout如图3b所示线性升高。当在时间t1时直流输出电压Uout达到第一基准电压高度Uref1时，来自两个比较器22的信号SOF如图3c所示变为活性的(active)和所述活性信号SOF命令检测控制器24，可以开始检测。
如图3d所示，在测试周期的第一周期ΔT1内来自检测控制器24输送给三极管26的栅极的测试信号DT保持非活性的(inactive)和因此电流在电阻28和三极管26不导通。在时间t2上开始测试周期的第二周期ΔT2和测试信号DT变为活性，导致三极管26饱和。因此电流直接从变换器12经扼流圈43、电阻28和三极管26流向接地。电阻28的电阻值为6Ω和由于变换器12的电流被限制在5A，因此很明显不能将直流输入电压Uin保持在额定值上。扼流圈43有效地对来自变换器12的电流的变化率进行限制和因此直流输入电压Uin立刻崩溃(collapese)。
在直流输入电压Uin开始崩溃时，二极管14’将自动反向偏压和因此充电的超电容器16被与变换器12、电阻28和三极管26隔离开。其中直流输入电压Uin将如图3a中的实线所示迅速降低。一旦直流输入电压Uin在时间t3上低于第二基准电压Uref2，则如图3e所示来自第二比较器30的信号DTResponse由活性状态转换成非活性的状态。
如果另一方面二极管14’由于某种原因失效和将造成双向导通，在直流输入电压Uin开始崩溃时超电容器16除了提供直流输出电压Uout，还将通过二极管14’放电，力图将直流输入电压Uin保持在额定高度上。因而如图3a的虚线所示直流输入电压Uin略有降低，该降低并不像二极管14没有失效的情况下那样迅速。在该情况下在测试周期的第二周期ΔT2内直流输入电压Uin不会降低到低于第二基准电压Uref2的程度和因此来自第二比较器30的信号DTResponse如图3e的虚线所示仍保持在活性状态。
在测试周期的第二周期ΔT2内检测控制器24对来自第二比较器30的信号DTResponse进行监视。如果在周期ΔT2内信号DTResponse从活性状态转换成非活性状态，则控制器24判定二极管14’是完好的。与之相反，如果信号DTResponse在周期ΔT2始终保持活性状态，则控制器24将向电梯控制器32输出一个故障信号DTError，通告一个二极管或两个二极管14’失效。控制器24包括一个用于存储在测试脉冲持续时间内采集的失效信息的存储器，以便于在稍后的时刻将信息传送给电梯控制器32。一旦电梯控制器32收到故障信号DTError，将使轿厢移动到最近的停靠楼层，将门开启，以便使乘客离开轿厢和激活机电制动模块2，使轿厢停靠在该位置。一旦确认，则只有在对失效的二极管或两个二极管14’进行调换后，才可以对故障信号DTError复位和重新启动电梯。
在时间t4后重复进行整个测试周期。为了确保测试本身不会造成对二极管14’的损坏，第二周期ΔT2通常应尽可能地短，一般在10μs范围内。使用者可以对测试周期的第一周期ΔT1进行调整，以便改变测试频率；在某些情况下使用者可以实现每个小时自动测试二极管一次，同时在其它的应用时间每周测试一次足以满足要求。
为了增强直流输入电压Uin的崩溃程度，可以将电容器与电阻28并联。
显然在上述实施例中的二极管14’仅是在UPS中采用的一种隔离装置14。根据本发明的第二实施例如图4所示可以用一个开关14”替代图2电路中的每一个二极管14’。所述开关14”可以是机电的或优选是半导体开关，例如是三极管。如果采用机电开关14”，重负载将伴随导通状态下的长的周期，此点将会导致开关14”触点的粘接和在极端的情况下将导致触点熔融，造成持续地处于导通状态。因此在这种情况下开关14”在电源中断时并不能断开直流网络N1。如果采用半导体开关14”，则会出现与上述的实施例的二极管14’相同的衰变和静电击穿的问题。
鉴于上述的实施例的二极管14’用于电流在一个方向导通和在相反的方向隔离，所以必须将信号SW提供给开关14”，以便选择性地接通或断开直流网络N1。信号SW在主电源1断开时以及在测试周期的第二时间周期ΔT2时必须导致开关14”中断直流网络N1。
由于第二比较器30对检测器18’的直流输入电压Uin进行监视，因而来自第二比较器30的输出DTResponse在本发明中也被用作开关控制器34的输入，从而可以避免在电路中的部件的不必要的重复。来自检测控制器24的信号DT也被馈送给开关控制器34。
在表1中列出开关控制器的功能，其中逻辑1表示开关14”接通直流网络N1和逻辑0表示开关14”断开直流网络N1。
表1：
  DT   DTResponse   SW
  0   0   0
  0   1   1
  1   0   0
  1   1   0
在正常工作时，来自主电源1的电流经交直流变换器12和开关14”对超电容器16充电和对制动模块2供电。如果主电源1中断导致由交直流变换器12提供的直流输入电压Uin降低到低于第二基准电压Uref2，则来自第二比较器30的信号DTResponse变为非活性的，从而导致开关14”将网络N1断开和避免来自超电容器16的能量向被中断的主电源1的回流。
与上述的实施例相同，当在时间t1时直流输出电压Uout达到第一基准电压的高度Uref1时，如图3c所示来自第一比较器22的信号SOF将变为活性的和该活性信号SOF命令控制器24开始测试。所述测试进行的过程与对照图3a-3f所述的过程相同。
在测试周期的第二周期ΔT2内，来自测试控制器24的信号DT是活性的和保持开关14”处于非导通状态，同时在周期ΔT2内检测控制器24对来自第二比较器30的信号DTResponse进行监视。如果信号DTResponse在该周期ΔT2内从活性状态转换成非活性状态，则控制器24判定开关14”是完好的。与此相反，如果信号DTResponse在整个周期ΔT2内仍保持活性状态(如图3e中的虚线所示)，则控制器24向电梯控制器32输出一个故障信号DTError，通告一个或两个开关14”失效。
很明显，检测器18的主要部件是a)电阻28和三极管26的串联网络，所述串联网络用于在测试周期的第二周期ΔT2内建立二极管14’或开关14”上的反极性，b)第二比较器30，所述第二比较器用于在测试周期的第二周期ΔT2内对直流输入电压Uin进行监视和c)检测控制器24，所述检测控制器用于对三极管26进行激励和用于对来自第二比较器30的应答信号DTResponse进行评价。
图5示出本发明的另一实施例，其中用设置在主电源1与二极管14’之间检测开关取代在上述实施例中用于在第二周期ΔT2内由漏极输出的直流输入电压Uin对二极管14’的极性进行反向的三极管26，以便在第二周期ΔT2内将直流网络N1和N2与主电源1隔离开。因此工作时电压的曲线与在图3a-3f的曲线类似，其区别仅在于，如果二极管14’是完好的，在第二时间周期ΔT2内直流电压Uin将经电阻28输出，接近于零，替代30V。否则，测试过程则与上述相同。尽管在该特殊的实施例中检测开关36被置于交直流变换器12与二极管14’之间，但很明显，所述开关36也可以位于主电源1与交直流变换器12之间。
尽管图中未示出，但很明显，另外的用于在测试周期的第二周期ΔT2内降低直流输入电压Uin的方案也可以是在交直流变换器与二极管之间设置变压器的初级线圈和漏极电路，所述漏极电路包括变压器的次级线圈、串联设置在交直流变换器与接地之间的一个电阻和一个三极管。在检测周期的第二周期ΔT2内三极管的饱和将导致瞬变电流流经次级线圈，因此在初级线圈内感应一个电动势，造成在二极管输入端上的电压降低。
图6不仅示出另一方案，其中在二极管14’上建立反向极性，而且还示出在测试周期的第二周期ΔT2内用于监视直流输入电压Uin的替代装置。
替代漏极向二极管14’输出的直流输入电压Uin，采用变压器42增大在测试的第二周期ΔT2内的来自二极管14’的直流输出电压Udout。变压器42的初级线圈被连接在二极管14’与超电容器16之间和变压器42的次级线圈在超电容器16与接地之间与电阻28和三极管26串联。
两个电阻R1和R2构成的串联网络被接在二极管14’的输入端与接地之间。两个电阻的合成电阻相对较大，从而避免电阻网络受到漏电源的影响。在两个电阻R1和R2的接点上的第一电压U1与二极管14’的输入电压Uin成比例，并馈送给检测控制器40。同样，电阻网络R3和R4与二极管14’的输出端和第二连接电压U2连接，所述第二电压与二极管14’的输出电压Udout成比例，并馈送给控制器40。
对电阻R1、R2、R3和R4的阻值的选择应使只有在直流输出电压Udout超过直流输入电压Uin一个专门的电压差Udif时，第一连接电压U1才等于第二连接电压U2。
在第二周期ΔT2内来自控制器40的测试信号DT将导致三极管26饱和和因此电流流经变压器42的次级线圈、电阻28和三极管26。该瞬变电流将在变压器43的初级线圈上感应出电动势，导致在二极管14’的输出端上的电压Udout增大到一个大于输入电压Uin的值上和因此二极管14’反向偏压。在图7a中以夸张的方式示出该效果。
如果二极管14’是完好的，则直流输入电压Uin将保持在额定值上，同时直流输出电压Udout增大。在时间t3上，直流输出电压Udout将超过直流输入电压Uin一个专门的电压差Udif和在控制器40内两个连接电压U1和U2的比较将产生图7b所示的阶跃函数。
反之，如果二极管14’失效，则电流将流经二极管14’以便对直流输出电压和直流输入电压Udout和Uin进行均衡。从而使直流输出电压Udout不会超过直流输入电压Uin一个专门的电压差Udif。因此在整个第二测试周期ΔT2内第一连接电压U1仍保持大于第二连接电压U2和两个连接电压U1和U2的比较不会产生阶跃函数和如图7c所示控制器40向电梯控制器32输出一个故障信号DTError。
尽管在图中未示出，但很明显，根据本发明的另一设计方案，为了增大在测试的第二周期ΔT2内的来自二极管14’的直流输出电压Udout，可以在二极管输出端与超电容器之间设置一个扼流圈，和在电压源(对应于超电容器的额定电压为正)与二极管输出端之间设置一个三极管和电阻的串联网络。在第二测试周期ΔT2内，三极管将闭合串联网络和在二极管输出端的电压将增大。
另外专业人员可以直接联想到一些变型，例如可以用电阻网络R1、R2、R3和R4与控制器40一起替代图2实施例的第二比较器30和控制器24。
当然可以采用许多其它已知的设置，用于临时地对隔离装置14上的极性进行反向，和可以采用许多替代装置，用于在测试周期的第二周期ΔT2内的直流输入电压Uin进行监视。
虽然UPS 10用于将来自主电源1的交流转换成制动模块2可以使用的直流，但专业人员还可以联想到在电路中采用交直流变换器或直流/交流变换器，可以对UPS 10采用的任何一种交流或直流电源进行充电，从而为交流或直流应用提供可靠的电源。
另外，虽然结合可再充电的电源，确切地说超电容器16对本发明做了说明，但还可以联想到采用另外的备用电源，例如第二商用主电源、燃料电池、备用发电机组等。

Claims (11)

1.一种不间断电源(10)，包括：
输入端，用于与主电源(1)耦合；
输出端，用于与电气负载(2)连接；
备用电源(16)，和
选择性的隔离装置(14)，所述选性的择隔离装置用于在应急工作时将备用电源(16)与输入端隔离开，
其特征在于，还包括：
第一装置(26，28，36，42)，所述第一装置在正常工作期间在测试周期(ΔT2)内建立在隔离装置(14)上的反向极性；和
第二装置(30，24；R1，R2，R3，R4，40)对加在隔离装置(14)上的与输入电压(Uin)成比例的电压(Uin；U1)进行监视和如果在测试周期(ΔT2)内被监视的电压(Uin)保持或超过第一基准电压(Uref2；U2)，则输出一个故障信号(DTError)。
2.按照权利要求1所述的不间断电源(10)，其中备用电源是可再充电的能量存储单元(16)。
3.按照权利要求1或2所述的不间断电源(10)，其中第一装置包括在隔离装置(14)的输入端与接地之间串联的一个电阻(28)和一个三极管(26)。
4.按照权利要求3所述的不间断电源(10)，还包括一个与电阻(28)并联的电容器。
5.按照权利要求3或4所述的不间断电源(10)，还包括一个扼流圈(43)，所述扼流圈设置在不间断电源(10)的输入端与隔离装置(14)的输入端之间。
6.按照权利要求1或2所述的不间断电源(10)，还包括一个电阻(28)，所述电阻设置在隔离装置(14)的输入端与接地之间，和其中第一装置包括在主电源(1)上或设置在主电源(1)与隔离装置(14)之间的断路开关(36)。
7.按照权利要求1或2所述的不间断电源(10)，还包括一个变压器(42)，所述变压器具有设置在隔离装置(14)的输出端与备用电源(16)之间的初级线圈，和其中第一装置包括串联设置在备用电源(16)与接地之间的变压器(42)的次级线圈、电阻(28)和三极管(26)。
8.按照上述权利要求中任一项所述的不间断电源(10)，其中第二装置包括第一比较器(30)，所述第一比较器对加在隔离装置(14)的输入电压(Uin)与第一基准电压(Uref2)进行比较，和控制器(24)，所述控制器用于对比较器(30)的输出信号(DTResponse)进行监视。
9.按照权利要求1-7中任一项所述的不间断电源(10)，其中第二装置包括连接在隔离装置(14)的输入端和接地之间的第一电阻网络(R1，R2)，所述网络用于提供与输入电压(Uin)成比例的第一电压(U1)，和连接在隔离装置(14)输出端与接地之间的第二电阻网络(R3，R4)，用于提供第一基准值(U2)，所述第一基准值与在隔离装置(14)的输出端上的电压(Udout)成比例，和一个控制器(40)，所述控制器将第一电压(U1)与第一基准值(U2)进行比较。
10.按照上述权利要求中任一项所述的不间断电源(10)，还包括第二比较器(22)，所述第二比较器将不间断电源(10)输出端上的电压(Uout)与第二基准值(Uref1)进行比较和当输出电压(Uout)大于第二基准值(Uref1)时输出测试起始信号(SOF)。
11.一种用于对不间断电源(10)中的选择性的隔离装置(14)进行检测的方法，所述隔离装置用于在应急工作时将备用电源(16)与输入端隔离开，其特征在于，
在正常工作期间在测试周期(ΔT2)内建立隔离装置(14)上的反向极性；
对加在隔离装置(14)上的输入电压(Uin)成比例的电压(Uin；U1)进行监视；和
如果在测试周期(ΔT2)内被监视的电压(Uin；U1)保持或超过第一基准电压(Uref2；U2)，则输出一个故障信号(DTError)。
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