CN106532914A - 一种双重切换无间断供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双重切换无间断供电装置，包括供电电源、UPS和PLC设备，供电电源的供电端通过UPS为PLC设备供电，其特征在于：还包括无间断切换模块、瞬时稳压供电模块、备用电源切换模块和备用电源，无间断切换模块的接电口分别连接供电电源和UPS的输电口，无间断切换模块的输电口连接瞬时稳压供电模块，备用电源切换模块的接电口分别连接瞬时稳压供电模块和备用电源，备用电源切换模块的输电口连接PLC设备；在UPS 和PLC ***间增加无间断切换模块后，实现了两路电源的自动转换，同时采用备用电源，进行不间断转换，保证PLC 供电***的无缝切换，保证用电设备连续运行。
Description
技术领域
本发明涉及PLC供电技术领域，尤其涉及一种双重切换无间断供电装置。
背景技术
目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。如供电***中较多配电设备及辅助供电设备就是利用PLC 作为自动控制***的核心，采用分散集中控制***，来保证供电***的平稳运行和用电用户的正常使用，PLC 起到了至关重要的作用。其中，供电***是保证PLC ***正常运行的重要环节，为了保证供电***的平稳运行和连续稳定对外供电，无论从初期的设备选型，还是后期建设，必须层层把关。在实际生产中发现：PLC 供电***的故障次数随着配电阶级数量的增加和运行时间的增长有逐年递增的趋势。
PLC ***故障分类有：PLC 模块原因，220V 交流供电***原因，24V 直流供电***原因，附属设备原因。PLC 模块故障和附属设备故障只会对PLC ***的局部范围造成影响。而其中供电***（220V 交流供电***和24V 直流供电***）故障次数占份比例较多，并且UPS 和24V 电源故障，则会导致整个PLC ***瘫痪。PLC 供电***的工作原理为市供电源经不间断供电电源（UPS）提供220V 交流输出。由于UPS 具有稳定电压、抗电磁干扰、可用电池组持续供电等功能，保证了稳定的220V 交流输出。当UPS 发生硬件故障时，会造成PLC供电***失电，导致运行全部停止。如恢复PLC 供电***的正常运行，需切换到手动模式，并且要求工作人员熟练掌握操作技能，大约30 分钟后能恢复正常的生产运行，待***生产运行后才能处理UPS 的故障。而最快的处理方式就是更换UPS，在有备件的情况下更换UPS大约需要1 个小时，如无备件更换周期则较长；另一种处理方式是维修UPS，但维修时间较长，需要几个小时甚至是几天的时间。
另外，供电***瞬时电压不稳定，对设备的损坏将是不可估量的，所以，需要保证供电的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种双重切换无间断供电装置，在UPS 和PLC ***间增加无间断切换模块后，实现了两路电源的自动转换，同时采用备用电源，进行不间断转换，保证PLC 供电***的无缝切换，保证用电设备连续运行。
本发明采用的技术方案为：
一种双重切换无间断供电装置，包括供电电源、UPS和PLC设备，供电电源的供电端通过UPS为PLC设备供电，其特征在于：还包括无间断切换模块、瞬时稳压供电模块、备用电源切换模块和备用电源，无间断切换模块的接电口分别连接供电电源和UPS的输电口，无间断切换模块的输电口连接瞬时稳压供电模块，备用电源切换模块的接电口分别连接瞬时稳压供电模块和备用电源，备用电源切换模块的输电口连接PLC设备。
所述的无间断切换模块包括供电电源主线路、UPS主线路、切换控制单元和输出控制单元，供电电源主线路和UPS主线路的供电线路中分别设于一个空气断路器；所述的切换控制单元包括第一固态继电器、第二固态继电器、第三固态继电器、第四固态继电器和电流互感器，第一固态继电器和第三固态继电器的第一端分别连接于供电电源主线路的火线和零线上，第二固态继电器和第四固态继电器的第一端分别连接于UPS主线路的火线和零线上，第一固态继电器和第二固态继电器的第二端穿过电流互感器线圈连接到输出控制单元，第三固态继电器和第四固态继电器的第二端连接到输出控制单元，电流互感器通过智能电流表分别连接到第一固态继电器和第二固态继电器的第二端及第三固态继电器和第四固态继电器的第二端；所述的输出控制单元包括第一控制继电器、第二控制继电器和输出线路，第一控制继电器线圈通过第一刀闸串接于供电电源主线路，第二控制继电器线圈通过第二刀闸串接于UPS主线路，供电电源主线路上依次设有第一控制继电器的两个常开触点、第一控制继电器的两个常闭触点和第二控制继电器的两个常闭触点，第二控制继电器的两个常开触点分别设于UPS主线路的火线和零线上，第二控制继电器的两个常开触点的静触头分别连接第一控制继电器的两个常闭触点合第二控制继电器的两个常闭触点之间，第二控制继电器的两个常闭触点的静触头分别连接第一固态继电器和第二固态继电器的第二端及第三固态继电器和第四固态继电器的第二端，在第一控制继电器的两个常开触点和第一控制继电器的两个常闭触点之间连接输出线路，且输出线路上设有熔断器。
所述的瞬时稳压供电模块包括整流模块、变压模块、稳压单元、双重限流单元和过流缓冲单元，整流模块连接输出线路的输出端、整流模块连接变压模块，变压模块连接稳压单元，稳压单元的输出端连接双重限流单元的输入端，双重限流单元的输出端连接过流缓冲单元的输入端，过流缓冲单元的稳压输出端连接备用电源切换模块。
所述的备用电源切换模块包括供电电源稳压电路和备用电源供电电路，供电电源稳压电路的电源接口连接过流缓冲单元的稳压输出端，备用电源供电电路的电源接口连接备用电源。
所述的稳压单元包括第一保险丝，第一保险丝的第一端连接供电电源，第二端连接三个并联的稳压二极管的阴极，三个并联的稳压二极管的阳极接地。
所述的双重限流单元包括初级限流单元和次级限流单元，初级限流单元包括第一取样电阻，第一取样电阻的第一端连接第一保险丝的第二端，第一取样电阻的第二端连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极通过第一电阻接地，第一二极管和第二二极管串联，第一二极管的阳极连接第一取样电阻的第一端，第二二极管的阴极连接第一三极管的基极，第一三极管的集电极通过第二取样电阻连接第一场效应管的栅极，第一场效应管的源极通过第二电阻接地，第二三极管的基极通过第三电阻连接第二取样电阻的第二端，第二三极管的发射极连接第一三极管的集电极，第二三极管的集电极连接第一场效应管的源极；次级限流单元电路结构与初级限流单元电路结构相同。
所述的过流缓冲单元包括电感，电感的第一端连接次级限流单元的输出端，电感并联两个续流二极管，电感的第二端作为稳压输出端。
所述的供电电源稳压电路包括第一并联二极管电路。所述的备用电源供电电路包括第一三极管、第二三极管和第三三极管，第一三极管的基极通过第一电阻丝连接第一二极管的负极，第一二极管的正极连接备用电源，第一三极管的发射极一次通过第二电阻丝、第三电阻丝和第二二极管连接备用电源，且第一三极管的发射极接地，第一三极管的集电极通过第四电阻丝连接第二三极管的基极，第二三极管的发射极通过第五电阻丝接地，第二三极管的集电极连接第三三极管的源极，第三三极管的栅极通过第五电阻丝接地，第三三极管的漏极通过第二并联二极管电路输出。
本发明在在PLC 供电设备与UPS 之间增设无间断切换模块构成第一重无间断切换电源，当UPS 硬件突发故障导致无法供电时，无间断切换模块检测到失电信号后，会在4-5 毫秒自动切换至供电电源，保证***不受UPS的影响而供电；再利用备用电源切换模块在备用电源和***供电之间进行切换，即使***停电，也能保证***无间断的供电。
同时，在***电源送电的瞬间，利用瞬时稳压供电模块保证***电压的稳定性，提高***使用寿命。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明的无间断切换模块电路原理图；
图3为本发明的瞬时稳压供电模块电路原理图；
图4为本发明的备用电源切换模块电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括供电电源、UPS和PLC设备，供电电源的供电端通过UPS为PLC设备供电，还包括无间断切换模块、瞬时稳压供电模块、备用电源切换模块和备用电源，无间断切换模块的接电口分别连接供电电源和UPS的输电口，无间断切换模块的输电口连接瞬时稳压供电模块，备用电源切换模块的接电口分别连接瞬时稳压供电模块和备用电源，备用电源切换模块的输电口连接PLC设备。
如图2所示，所述的无间断切换模块包括供电电源主线路、UPS主线路、切换控制单元和输出控制单元，供电电源主线路和UPS主线路的供电线路中分别设于一个空气断路器；所述的切换控制单元包括第一固态继电器1、第二固态继电器2、第三固态继电器3、第四固态继电器4和电流互感器，第一固态继电器1和第三固态继电器3的第一端分别连接于供电电源主线路的火线和零线上，第二固态继电器2和第四固态继电器4的第一端分别连接于UPS主线路的火线和零线上，第一固态继电器1和第二固态继电器2的第二端穿过电流互感器线圈连接到输出控制单元，第三固态继电器3和第四固态继电器4的第二端连接到输出控制单元，电流互感器通过智能电流表分别连接到第一固态继电器1和第二固态继电器2的第二端及第三固态继电器3和第四固态继电器4的第二端；所述的输出控制单元包括第一控制继电器、第二控制继电器和输出线路，第一控制继电器线圈通过第一刀闸串接于供电电源主线路，第二控制继电器线圈通过第二刀闸串接于UPS主线路，供电电源主线路上依次设有第一控制继电器的两个常开触点、第一控制继电器的两个常闭触点和第二控制继电器的两个常闭触点，第二控制继电器的两个常开触点分别设于UPS主线路的火线和零线上，第二控制继电器的两个常开触点的静触头分别连接第一控制继电器的两个常闭触点合第二控制继电器的两个常闭触点之间，第二控制继电器的两个常闭触点的静触头分别连接第一固态继电器1和第二固态继电器2的第二端及第三固态继电器3和第四固态继电器4的第二端，在第一控制继电器的两个常开触点和第一控制继电器的两个常闭触点之间连接输出线路，且输出线路上设有熔断器W。
如图3所示，所述的瞬时稳压供电模块包括整流模块、变压模块、稳压单元、双重限流单元和过流缓冲单元，整流模块连接输出线路的输出端、整流模块连接变压模块，变压模块连接稳压单元，稳压单元的输出端连接双重限流单元的输入端，双重限流单元的输出端连接过流缓冲单元的输入端，过流缓冲单元的稳压输出端连接备用电源切换模块。
所述的稳压单元包括第一保险丝F1，第一保险丝F1的第一端连接供电电源，第二端连接三个并联的稳压二极管(D1、D2、D3)的阴极，三个并联的稳压二极管(D1、D2、D3)的阳极接地。
所述的双重限流单元包括初级限流单元和次级限流单元，初级限流单元包括第一取样电阻R1，第一取样电阻R1的第一端连接第一保险丝F1的第二端，第一取样电阻R1的第二端连接第一三极管Q9的发射极，第一三极管Q9的基极通过第一电阻R15接地，第一二极管D24和第二二极管D25串联，第一二极管D24的阳极连接第一取样电阻R1的第一端，第二二极管D25的阴极连接第一三极管Q9的基极，第一三极管Q9的集电极通过第二取样电阻R2连接第一场效应管Q2的栅极，第一场效应管Q2的源极通过第二电阻R7接地，第二三极管Q10的基极通过第三电阻R16连接第二取样电阻R2的第二端，第二三极管Q10的发射极连接第一三极管Q9的集电极，第二三极管Q10的集电极连接第一场效应管Q2的源极；次级限流单元电路结构与初级限流单元电路结构相同。
所述的过流缓冲单元包括电感L，电感L的第一端连接次级限流单元的输出端，电感L并联两个续流二极管(D32、D33)，电感L的第二端作为稳压输出端。
如图4所示，所述的备用电源切换模块包括供电电源稳压电路和备用电源供电电路，供电电源稳压电路的电源接口连接过流缓冲单元的稳压输出端，备用电源供电电路的电源接口连接备用电源。
所述的供电电源稳压电路包括第一并联二极管电路。所述的备用电源供电电路包括第一三极管Q6、第二三极管Q5和第三三极管Q3，第一三极管Q6的基极通过第一电阻丝R9连接第一二极管D4的负极，第一二极管D4的正极连接备用电源，第一三极管Q9的发射极依次通过第二电阻丝R12、第三电阻丝R13和第二二极管D5连接备用电源，且第一三极管Q9的发射极接地，第一三极管Q9的集电极通过第四电阻丝R8连接第二三极管Q5的基极，第二三极管Q5的发射极通过第五电阻丝R11接地，第二三极管Q5的集电极连接第三三极管Q3的源极，第三三极管Q3的栅极通过第五电阻丝R11接地，第三三极管Q3的漏极通过第二并联二极管电路输出。
下面结合附图详细说明本发明的工作原理：
详见附图2，在PLC 供电设备与UPS 之间增设无间断切换模块构成第一重无间断切换电源，无间断切换模块的输入端与UPS 输出端连接，无间断切换模块的输出端与PLC 供电***输入端连接，无间断切换模块的输入端还与220V 外供电源直接连接。电源经空气断路器经固态继电器通过逻辑判断后经电流互感器检测电流信号，经熔断器W至PLC用电设备。无间断切换模块的切换时间为4-5 毫秒。
在通常情况下，市供电源经不间断供电电源（UPS），输出端连接至无间断切换模块。通过无间断切换模块输出稳定的交流220V电源。与此同时，无间断切换模块的输入端还连接市供电源作为备用电源。当UPS 硬件突发故障导致无法供电时，无间断切换模块检测到失电信号后，会在4-5 毫秒自动切换至备用电源，保证PLC 供电***的无缝切换，PLC 设备连续稳定运行。无间断切换模块的切换时间为4-5 毫秒，主要通过容量不同的两个电容的放电时间差来实现，用示波器分别测出两个电容的接通关断时间，得出两个电容的放电时间差为4-5 毫秒，即为无间断切换模块的切换时间。
当UPS 常用电源和220V 外供电源两个电源的情况下，指定UPS 电源位置，其操作程序由无间断切换模块自动转换；如果UPS 电源被检测到出现偏差，则自动将负载从UPS常用电源转换至220V 外供电源；如果UPS 电源恢复正常，则自动将负载返回换接到UPS常用电源。被检测的电源特性的改变，当电源特性偏离规定限值（如电源电压或频率的非正常改变）时，被检测到的电源偏差将发出信号使转换开关动作；动作时间做到≤ 5ms. 保证负载供电不间断。
市供电源和UPS 输出电源分别连接至输入1 和输入2 的端子，经两路的空气断路器后，通过切换控制单元控制供电电源主线路和UPS主线路的通断，输入1 的电源经固态继电器1 和固态继电器3 控制输入1 的关断，输入2 的电源经固态继电器2 和固态继电器4控制输入2的关断。在经过电流互感器的判定，两路输入源只有一路导通，从而达到无间断切换的目的。
之后，再通过输出控制单元对选择后的一路输出进行控制输出。第一刀闸 或第二刀闸闭合，KM1 或KM2 接触器导通，KM1 或KM2 的常开、常闭触点发生状态转换后经熔断器W后，再经输出端口连接至瞬时稳压供电模块，再发送给用电设备为其提供连续的供电电源。
瞬时稳压供电模块的作用主要是将无间断切换模块发送过来的电能源进行再次的稳定。由于市电电压再突然的启停过程中，总是伴随着电压忽高忽低，不稳定，从而损坏设备，所以，采用瞬时稳压供电模块进行整流、降压、稳定。
稳压供电电路工作原理：正常工作时，稳压二极管D1、D2、D3把电源电压稳定在设备设定的最大输出电压值以下，当从第一端子1进入的电压高于稳压二极管D1、D2、D3最高上限电压时稳压二极管击穿，电流迅速增大，第一保险丝F1F1瞬间熔断，使电路断开，达到限制危险电压进入PCL的作用。在元器件的选择上，稳压二极管正常工作时功率应在它的额定功率的2/3以下，也就是说稳压二极管功率额定值应至少是1.7In（In为保险丝的额定电流）乘以稳压二极管的最高齐纳电压再乘以1.5倍，通常选用1N系列，它的单管额定功率为5W。电路中保险丝的时间-电流特性应保证不超过稳压二极管的瞬态额定值，它在250V电网的预期电流应认为是1500A，保险丝的分断能力应不小于该预期电流，通常选择美国的littlefuse等陶瓷熔断器W（即保险丝），若选择一般的玻璃熔断器W，需用10欧姆1w的金属薄膜电阻把预期电流限制下来。
双重限流单元以供电路初级限流单元为例，电路正常工作时电流I由供电路稳压单元过来，流经第一取样电阻R1、第一三极管Q9、第二取样电阻R2、第一场效应管Q2后流入下一单元中，此时第一二极管D24、第二二极管D25和第二三极管Q10都不导通，当电流I超过设备设定的最大输出电流值流经第一取样电阻R1时，第一取样电阻R1两端电压加上第一三极管Q9的Ueb电压之和大于1.4V，此时快速通断第一二极管D24、第二二极管D25迅速导通，大电流由原来的通路切换到第一二极管D24、第二二极管D25、第一电阻R15流入大地，若在第一二极管D24、第二二极管D25未导通时电流I继续升高，在它流经第二取样电阻R2R2时两端压降则会超过0.7V，则第二三极管Q10迅速导通，第二三极管Q10随电流增加而进入饱和状态，此时第二三极管Q10的集电极和射极之间电压下降到0.3V，则第一场效应管Q2关断，电路断开，起到阻止危险大电流流入的作用。供电路次级限流单元电路结构与供电路初级限流单元电路结构相同，在此不再赘述。
过流缓冲单元由固态电感L器L和两个续流二极管D32、D33组成，它是为了缓冲限流单元中场效应管和三极管反应时间内增大的电流，使它峰值变低，有利于正常运作。在正常运作时该单元能起到很好的缓冲电流作用。
最后，防止PLC断电不工作，将瞬时稳压供电模块发送的电能作为标准电源，在标准电源与备用电源之间进行切换。
如图4 所示，共有2路电源输入，分别是+24V-IN(标准电源)、备用电源，当+24V-IN电源电压正常时，POWER-IN-BUS 上有电源，直接可以通过开关电源供电。同时由于NPN 三极管Q6 的基极高电压，Q6 导通，导致PNP 三极管Q5 的基极为低电压，Q5 导通，导致Q3 的VGS 几乎为零，Q3 截止，就实现了备用电源切断的目的。
当+24V-IN 电源没有供电的情况下，启动备用电源，备用电源信号置为低电平，NPN 三极管Q6 的基极低电压，Q6 截止，导致PNP 三极管Q5 的基极为高电压，Q5 截止，导致Q3 的VGS 导通，就实现了备用电源供电的目的；
当备用电源电压都低时，把备用电源控制信号置为高电平，把备用电源切断，防止电池过放电，起到达到保护电池的目的。
Claims (9)
1.一种双重切换无间断供电装置，其特征在于：包括供电电源、UPS和PLC设备，供电电源的供电端通过UPS为PLC设备供电，其特征在于：还包括无间断切换模块、瞬时稳压供电模块、备用电源切换模块和备用电源，无间断切换模块的接电口分别连接供电电源和UPS的输电口，无间断切换模块的输电口连接瞬时稳压供电模块，备用电源切换模块的接电口分别连接瞬时稳压供电模块和备用电源，备用电源切换模块的输电口连接PLC设备。
2.根据权利要求1所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的无间断切换模块包括供电电源主线路、UPS主线路、切换控制单元和输出控制单元，供电电源主线路和UPS主线路的供电线路中分别设于一个空气断路器；所述的切换控制单元包括第一固态继电器、第二固态继电器、第三固态继电器、第四固态继电器和电流互感器，第一固态继电器和第三固态继电器的第一端分别连接于供电电源主线路的火线和零线上，第二固态继电器和第四固态继电器的第一端分别连接于UPS主线路的火线和零线上，第一固态继电器和第二固态继电器的第二端穿过电流互感器线圈连接到输出控制单元，第三固态继电器和第四固态继电器的第二端连接到输出控制单元，电流互感器通过智能电流表分别连接到第一固态继电器和第二固态继电器的第二端及第三固态继电器和第四固态继电器的第二端；所述的输出控制单元包括第一控制继电器、第二控制继电器和输出线路，第一控制继电器线圈通过第一刀闸串接于供电电源主线路，第二控制继电器线圈通过第二刀闸串接于UPS主线路，供电电源主线路上依次设有第一控制继电器的两个常开触点、第一控制继电器的两个常闭触点和第二控制继电器的两个常闭触点，第二控制继电器的两个常开触点分别设于UPS主线路的火线和零线上，第二控制继电器的两个常开触点的静触头分别连接第一控制继电器的两个常闭触点合第二控制继电器的两个常闭触点之间，第二控制继电器的两个常闭触点的静触头分别连接第一固态继电器和第二固态继电器的第二端及第三固态继电器和第四固态继电器的第二端，在第一控制继电器的两个常开触点和第一控制继电器的两个常闭触点之间连接输出线路，且输出线路上设有熔断器。
3.根据权利要求1所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的瞬时稳压供电模块包括整流模块、变压模块、稳压单元、双重限流单元和过流缓冲单元，整流模块连接输出线路的输出端、整流模块连接变压模块，变压模块连接稳压单元，稳压单元的输出端连接双重限流单元的输入端，双重限流单元的输出端连接过流缓冲单元的输入端，过流缓冲单元的稳压输出端连接备用电源切换模块。
4.根据权利要求1所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的备用电源切换模块包括供电电源稳压电路和备用电源供电电路，供电电源稳压电路的电源接口连接过流缓冲单元的稳压输出端，备用电源供电电路的电源接口连接备用电源。
5.根据权利要求3所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的稳压单元包括第一保险丝，第一保险丝的第一端连接供电电源，第二端连接三个并联的稳压二极管的阴极，三个并联的稳压二极管的阳极接地。
6.根据权利要求3所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的双重限流单元包括初级限流单元和次级限流单元，初级限流单元包括第一取样电阻，第一取样电阻的第一端连接第一保险丝的第二端，第一取样电阻的第二端连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极通过第一电阻接地，第一二极管和第二二极管串联，第一二极管的阳极连接第一取样电阻的第一端，第二二极管的阴极连接第一三极管的基极，第一三极管的集电极通过第二取样电阻连接第一场效应管的栅极，第一场效应管的源极通过第二电阻接地，第二三极管的基极通过第三电阻连接第二取样电阻的第二端，第二三极管的发射极连接第一三极管的集电极，第二三极管的集电极连接第一场效应管的源极；次级限流单元电路结构与初级限流单元电路结构相同。
7.根据权利要求3所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的过流缓冲单元包括电感，电感的第一端连接次级限流单元的输出端，电感并联两个续流二极管，电感的第二端作为稳压输出端。
8.根据权利要求4所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的供电电源稳压电路包括第一并联二极管电路。
9.根据权利要求4所述的双重切换无间断供电装置，其特征在于：所述的备用电源供电电路包括第一三极管、第二三极管和第三三极管，第一三极管的基极通过第一电阻丝连接第一二极管的负极，第一二极管的正极连接备用电源，第一三极管的发射极一次通过第二电阻丝、第三电阻丝和第二二极管连接备用电源，且第一三极管的发射极接地，第一三极管的集电极通过第四电阻丝连接第二三极管的基极，第二三极管的发射极通过第五电阻丝接地，第二三极管的集电极连接第三三极管的源极，第三三极管的栅极通过第五电阻丝接地，第三三极管的漏极通过第二并联二极管电路输出。
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