集中旁路型并联UPS的快速切换控制方法和控制装置与流程

本发明涉及集中旁路型并联UPS的快速切换控制方法和控制装置。

背景技术：

如图1所示，其为我们日常使用的集中旁路型并联UPS系统。该UPS系统的核心组件为两部分，UPS供电部分与切换装置。其中，UPS供电部分有两路电能输出供选择，一路是通过UPS装置输出交流电能，另一路是旁路线路，该旁路线路用于直接输出交流电能。旁路线路用于在UPS装置无法正常输出电能时作为备用电源来输出电能。集中旁路是指旁路线路直接连接切换装置，与UPS装置是两个独立的部分。UPS装置包括若干个UPS模块，所有的UPS模块共用两路输入，分别为交流输入和直流输入，对于任意一个UPS模块来说，该UPS模块具有两个输入端，分别是交流输入端和直流输入端，具有一个能够输出交流电的输出端。所有UPS模块的输出端均连接一条输出线路，该输出线路连接切换装置，旁路线路直接连接该切换装置，切换装置根据逻辑判断或者根据实际需要来选择哪一路输出。因此，通过切换装置的切换能够实现该UPS系统是由UPS装置输出交流电，还是由旁路线路输出交流电，来为负载供电。

由于UPS包括两个输入端：交流输入端和直流输入端，以及一个用于输出交流电的输出端，那么，该UPS模块的内部线路整体上如图2所示，交流电和直流电分别通过各自的处理之后连接到中间连接线路上，该中间连接线路通过相应的处理电路之后输出交流电。关于处理线路的具体设置，比如整流、逆变或者是升降压电路的设置，均是根据实际需要进行的，这里就不再具体说明。

目前，在集中旁路型并联UPS系统中，一般都采用检测UPS输出电压的方法来判断系统是否需要进行UPS输出与旁路输出的切换。但是由于并联UPS系统输出电压由多个模块共同并联而成，不同的UPS模块在运行中由于内部电路的影响可以会导致系统在不同情况下UPS装置输出的电压异常或掉电时的电压波形不同，难以准确、快速判断切换动作时机，造成UPS输出转旁路输出的切换时间不满足国标要求。在此判断前提下，即使修改切换器件的动作逻辑和时序，虽然可以满足切换时间要求，但是会不可避免地造成数毫秒的UPS输出与旁路输出的短路，使得系统旁路输入电流在切换动作进行时出现极大的冲击电流，导致UPS装置损坏及旁路输入开关跳闸等现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集中旁路型并联UPS的快速切换控制方法，用以解决传统的切换方式无法满足切换时间要求的问题。本发明同时提供一种集中旁路型并联UPS的快速切换控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种集中旁路型并联UPS的快速切换控制方法，对每个UPS模块的电压进行检测，每个UPS模块中设置有至少两个电压检测点，一个在对应UPS模块中的交直流输入端或者输出端，另一个在对应UPS模块中的中间连接线路上；当至少有一个检测点处的电压信号为异常信号时，对应的UPS模块异常；当全部UPS模块异常时，控制切换装置切换至旁路输出；

其中，当其中一个电压检测点位于交直流输入端时，该电压检测点用于同时检测交流输入端和直流输入端的电压信号，当交流输入端和直流输入端的电压信号同时为异常信号时，该交直流输入端检测点处的电压信号为异常信号。

每个UPS模块中设置有三个电压检测点，第一个设置在对应UPS模块中的交直流输入端，第二个设置在对应UPS模块中的输出端，第三个设置在对应UPS模块中的中间连接线路上。

一种集中旁路型并联UPS的快速切换控制装置，

包括逻辑判断单元，所述逻辑判断单元具有n组信号输入端，每组信号输入端对应一个UPS模块，每组信号输入端中有至少两个信号输入端，各信号输入端对应连接有电压检测模块，分别用于检测对应UPS模块中的第一电压检测点和第二电压检测点的电压，所述第一电压检测点设置在对应UPS模块中的交直流输入端或者输出端，所述第二电压检测点设置在对应UPS模块中的中间连接线路上；若第一电压检测点设置在交直流输入端，则对应的电压检测模块包括两个电压检测器件，分别用于检测交流输入端和直流输入端的电压，当交流输入端和直流输入端的电压信号同时为异常信号时，对应的电压检测模块输出异常信号；逻辑判断单元根据所有的电压检测模块检测到的电压信号进行逻辑判断，判据为：对于任意一个UPS模块，当对应的所有的电压检测模块检测到的电压信号均是正常信号时，对应的UPS模块正常；当至少一个UPS模块正常时，逻辑判断单元输出电压正常逻辑信号，当所有的UPS模块均异常时，逻辑判断单元输出电压异常逻辑信号；

还包括控制信号输出单元，所述逻辑判断单元的输出信号输入给所述控制信号输出单元，所述控制信号输出单元用于：当逻辑判断单元输出电压正常逻辑信号时，输出使切换装置切换至UPS装置的控制信号；当逻辑判断单元输出电压异常逻辑信号时，输出使切换装置切换至旁路线路的控制信号。

所述每组信号输入端中有三个信号输入端，对应连接有三个电压检测模块，第一电压检测模块用于检测对应UPS模块中的交直流输入端的电压，第二电压检测模块用于检测对应UPS模块中的中间连接线路上的电压，第三电压检测模块用于检测对应UPS模块中的输出端的电压。

当第一电压检测模块检测的对应UPS模块中的交直流输入端的电压信号为正常信号时，输出高电平信号；当第二电压检测模块检测的对应UPS模块中的中间连接线路上的电压信号为正常信号时，输出高电平信号；当第三电压检测模块检测的对应UPS模块中的输出端的电压信号为正常信号时，输出高电平信号；逻辑判断单元输出的电压正常逻辑信号为高电平信号。

所述逻辑判断单元包括n个逻辑判断模块，每个逻辑判断模块对应一组信号输入端，当逻辑判断模块对应的三个电压检测模块均输出高电平信号时，该逻辑判断模块输出高电平信号；n个逻辑判断模块的输出端均连接到一个或门的输入端，所述或门的输出端为该逻辑判断单元的输出端。

所述逻辑判断单元还包括与逻辑判断模块一一对应的光耦，所述逻辑判断模块的输出端均通过对应的光耦连接所述或门的输入端。

所述控制信号输出单元包括输入信号给定模块、驱动给定模块和逻辑判断及输出模块，所述输入信号给定模块和驱动给定模块输出连接逻辑判断及输出模块；

所述驱动给定模块用于输出驱动切换装置切换的驱动信号；

所述逻辑判断及输出模块具有两个控制信号输出端，第一控制信号输出端用于输出使切换装置切换至UPS装置的控制信号，第二控制信号输出端用于输出使切换装置切换至旁路线路的控制信号。

切换装置为可控硅驱动电路，包括两个可控硅，第一可控硅用于切换至UPS装置，使UPS装置通过第一可控硅输出电能，第二可控硅用于切换至旁路线路，使旁路线路通过第二可控硅输出电能；所述第一控制信号输出端用于控制连接第一可控硅，所述第二控制信号输出端用于控制连接第二可控硅；

所述输入信号给定模块包括开关管T6，开关管T6的阳极接有供电电源，所述控制信号输出单元的输入端连接开关管T6的控制极；

所述逻辑判断及输出模块包括光耦OP1和光耦OP2，所述供电电源通过光耦OP1的原边连接所述控制信号输出单元的输入端，开关管T6的阴极通过光耦OP2的原边接地；给定电源VCC分别通过光耦OP1的副边和光耦OP2的副边接地，光耦OP1的副边的非接地端通过非门U2B连接与非门U3C的一个输入端，所述驱动给定模块输出连接所述与非门U3C的另一个输入端，与非门U3C的输出端为所述第二控制信号输出端；光耦OP2的副边的非接地端通过非门U2A连接与非门U3A的一个输入端，所述光耦OP1的副边的非接地端连接所述与非门U3A的另一个输入端，所述与非门U3A的输出端通过非门U2D连接与非门U3B的一个输入端，所述驱动给定模块输出连接所述与非门U3B的另一个输入端，与非门U3B的输出端为所述第一控制信号输出端。

所述驱动给定模块输出频率为1.2kHz的方波驱动信号。

本发明提供的集中旁路型并联UPS的快速切换控制方法和装置中，每一个UPS模块中设置有至少两个电压检测点，其中一个在交直流输入端或者输出端，另一个在中间线路上，至少设置两个电压检测点，且分布在UPS模块的不同区域，能够准确判定UPS模块的运行情况，所以，这种检测方式能够更加准确地获取对应UPS模块的运行情况，只有当所有的电压检测点处的电压均正常时，该UPS模块才是正常的。并且，逻辑判断单元根据所有的UPS模块的电压情况来进行逻辑判断，当所有的UPS模块异常时，逻辑判断单元输出异常控制信号，控制信号输出单元输出控制信号，使UPS系统的切换装置将供电方式由UPS装置切换至旁路输出。所以，这种控制方式通过检测每个UPS模块的不同区域的电压信号，能够避免系统在不同情况下UPS装置的输出电压异常或掉电时的电压波形不同的情况。并且当所有的判断UPS模块均异常时，该控制装置就控制切换装置进行切换，所以，该控制装置能够准确、快速判断切换动作时机，极大地降低了判断时间，避免出现数毫秒的UPS输出与旁路输出的短路，使UPS输出转旁路输出的切换时间满足国标要求，并且使得系统旁路输入电流在切换动作进行时不会出现极大的冲击电流，避免UPS装置损坏及旁路输入开关跳闸等现象。

附图说明

图1是UPS系统结构示意图；

图2是UPS模块整体结构示意图；

图3是集中旁路型并联UPS的快速切换控制装置整体结构示意图；

图4是UPS模块其中一种详细结构的结构示意图；

图5是逻辑判断模块的电路结构示意图；

图6是光耦OP26的结构示意图；

图7是控制信号输出单元的组成划分示意图；

图8是控制信号输出单元的电路结构示意图；

图9是切换装置的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的集中旁路型并联UPS的快速切换控制装置适用于图1所示的UPS系统，由于该系统属于常规技术，并且在背景技术部分已经有了详细的描述，这里就不再具体描述。

如图3所示，该快速切换控制装置包括逻辑判断单元，该逻辑判断单元具有n组信号输入端，每组信号输入端与UPS系统中的一个UPS模块对应，也就是说，UPS系统中具有的UPS模块的个数与逻辑判断单元具有的信号输入端的组数相同，每组信号输入端用于输入对应UPS模块中的数据信息。

每组信号输入端包括三个信号输入端，这三个信号输入端对应连接有三个电压检测模块，所以，该控制装置中有3n个电压检测模块，如图3所示，第一组信号输入端对应的电压检测模块为A1、B1和C1，第二组信号输入端对应的电压检测模块为A2、B2和C2，……，第n组信号输入端对应的电压检测模块为An、Bn和Cn。另外，电压检测模块为现有的电压检测器件，用于检测直流电压或者交流电压。

由于每一组电压检测模块均相同，下面以第一组为例。第一组电压检测模块用于检测UPS系统中的第一个UPS模块中的电压信息。其中，电压检测模块A1用于检测UPS模块中的交直流输入端的电压信号，电压检测模块B2用于检测UPS模块中的中间连接线路上的电压信号，电压检测模块C1用于检测UPS模块中的输出端的电压信号。由于UPS模块的具体电路有多种，所以，其中的中间连接线路也会不一样，比如：如图4所示，给出一种UPS模块的具体组成，中间连接线路为直流母线，相应地，通过整流和逆变的设置，也可以使中间连接线路为交流母线。既然本实施例以图4为例，那么，电压检测模块A1的检测点为X2，电压检测模块B2用的检测点为X3，电压检测模块C1的检测点为X1。

另外，由于UPS模块中的交直流输入端为两个输入端，电压检测模块A1来检测这两个输入端的电压信号，那么，电压检测模块A1包括两个电压检测器件，分别检测这两个输入端的电压信号。交流输入端和直流输入端中只要有一个输入端的电压信号为正常信号时，电压检测模块A1检测的电压信号就为正常信号，相应地，当这两个输入端的电压信号均为异常信号时，电压检测模块A1检测的电压信号就为异常信号。电压检测模块A2、……、An与A1相同。

所有的电压检测模块将检测到的电压信息进行逻辑判断，相当于说，电压检测模块中设置有电压比较器，根据检测到的实际电压与电压比较器设定的基准值的比较，来输出相应的电平信号。在本实施例中，设定一个电压正常范围，如果检测到的实际电压值在该范围内时，对应的电压检测模块输出高电平，即电压检测模块输出的电压正常信号为高电平信号；相应地，如果检测到的实际电压值不在该范围内时，对应的电压检测模块输出低电平，即电压检测模块输出的电压异常信号为低电平信号。因此，所有的电压检测模块在设计时，均是将正常信号设置为高电平有效，将异常信号设置为低电平信号。

对于电压检测模块A1，由于其检测两个电压信号，所以，设定当至少一个电压信号为正常信号时，电压检测模块A1输出高电平，只有当两个电压信号均为异常信号时，电压检测模块A1输出低电平。

所有的电压检测模块根据对应电压信号来输出相应的电平信号。逻辑判断单元根据所有的电压检测模块输出的电平信号进行逻辑判断：对于任意一个UPS模块，当对应的所有的电压检测模块检测到的电压信号均是正常信号时，对应的UPS模块正常；当至少一个UPS模块正常时，逻辑判断单元输出电压正常逻辑信号，当所有的UPS模块均异常时，逻辑判断单元输出电压异常逻辑信号。在本实施例中，逻辑判断单元输出的电压正常逻辑信号为高电平信号；逻辑判断单元输出的电压异常逻辑信号为低电平信号。

进一步地，该逻辑判断单元包括n个逻辑判断模块和一个或门，每个逻辑判断模块对应一组信号输入端，也就是对应一个UPS模块，也就是说，对于任意一个逻辑判断模块，该模块的输入端为对应UPS模块的三个电压检测模块的输出端，当这三个电压检测模块均输出高电平信号时，逻辑判断模块输出高电平。所有的逻辑判断模块的输出端连接上述或门的输入端，该或门的输出端为该逻辑判断单元的输出端。也就是说，每个逻辑判断模块的逻辑关系是与的关系。因此，逻辑判断模块可以是逻辑与门电路，也可以是实现相同功能的具体电路，图5给出了一种具体的电路，其中，X1、X2和X3为三个输入信号，X4为输出信号。开关管Q7在控制端为高电平时导通，开关管Q10在控制端为低电平时导通。通过对图5中的相关电阻的阻值的设置，能够使：当X1为高电平信号时，比较器U4A的同相输入端的电压小于反相输入端的电压，进而使比较器U4A输出低电平信号，开关管Q7断开，在X2和X3均为高电平信号的条件下，开关管Q10的控制端为高电平，开关管Q10断开，X4为高电平信号。当X1、X2和X3中有至少一个为低电平信号时，比如：当X1为低电平信号时，比较器U4A的同相输入端的电压大于反相输入端的电压，进而使比较器U4A输出高电平，开关管Q7导通，不管X2和X3是否是低电平信号，均使开关管Q10的控制端被拉低为低电平，开关管Q10导通，X4为低电平信号；再比如：当X1为高电平信号时，比较器U4A的同相输入端的电压小于反相输入端的电压，进而使比较器U4A输出低电平，开关管Q7断开，当X2和X3中有至少一个为低电平信号时，开关管Q10的控制端被拉低为低电平，开关管Q10导通，X4为低电平信号。

控制装置还包括控制信号输出单元，逻辑判断单元的输出信号输入给该控制信号输出单元，当逻辑判断单元输出电压正常逻辑信号时，控制信号输出单元输出控制信号，使切换装置切换至UPS装置，即当至少一个UPS模块正常时，UPS系统为正常供电，通过切换装置的动作，使UPS模块与负载之间的线路导通，使旁路线路与负载之间的线路断开，通过UPS模块向负载供电；当逻辑判断单元输出电压异常逻辑信号时，控制信号输出单元输出控制信号，使切换装置切换至旁路线路，即所有的UPS模块均异常时，通过切换装置的动作，使旁路线路与负载之间的线路导通，使UPS模块与负载之间的线路断开，使UPS系统由UPS模块供电切换至旁路线路供电，实现UPS系统的无缝对接，保证负载的不间断供电。

另外，由于切换装置与UPS装置控制部分由各自的辅助电源提供电源，使得各UPS模块与切换装置间的控制电路为非“共地”系统。需要使用光耦进行隔离。每个逻辑判断模块均配套有一个光耦OP26，该光耦处理的信号为电平信号，但是由于其输出用于切换控制用，对速度有要求，在本电路中使用的是高速光耦H11L1。如图6所示，该光耦输出为OC输出，故需要在第4脚接上拉电阻，以此保证光耦输出信号电平准确。X4信号为逻辑判断模块输出的信号，X5信号为经过光耦OP26输出的信号。所有的光耦OP26的输出端连接上述或门的输入端，该或门的输出端即为逻辑判断单元的输出端X6。根据光耦的输出特性可知，当X4为低电平信号时，光耦原边导通，副边输出为低电平，即X5为低电平；相应地，当X4为高电平信号时，X5为高电平。

在本实施例中，控制信号输出单元包括输入信号给定电路、驱动给定电路和逻辑判断及输出电路，输入信号给定电路和驱动给定电路输出连接逻辑判断及输出电路，如图7所示，Ⅰ区域为输入信号给定电路，Ⅱ区域为驱动给定电路，Ⅲ区域为逻辑判断及输出电路。

图7和图8中的电路结构相同，其中，图7进一步对该电路结构进行了区域划分。

驱动给定电路用于输出驱动切换装置切换的驱动信号。在本实施例中，切换装置为可控硅驱动电路，包括两个可控硅，如图9所示，第一可控硅用于将UPS系统切换至UPS装置供电，使UPS装置通过可控硅输出电能，第二可控硅用于将UPS系统切换至旁路线路供电，使旁路线路通过可控硅输出电能。并且，这两个可控硅只有在1.2kHz的方波驱动信号的驱动下才能导通。但是，可控硅驱动电路形式多样，并且切换装置的具体结构也不是本发明的重点，所以在此不再具体说明。

如图8所示，驱动给定电路包括U1芯片，U1芯片为电源管理芯片UC3845，将该芯片通过E2，C1，R1，C2设置为开环工作模式，使其6脚一直输出频率为1.2kHz的方波驱动信号。

输入信号给定电路包括开关管T6，开关管T6的阳极接有供电电源+5V，控制信号输出单元的输入端(即是逻辑判断单元的输出端X6)连接开关管T6的控制极。

逻辑判断及输出电路包括光耦OP1和光耦OP2，供电电源+5V通过光耦OP1的原边连接X6处，开关管T6的阴极通过光耦OP2接地；给定电源VCC分别通过光耦OP1的副边和光耦OP2的副边接地，光耦OP1的副边的非接地端通过非门U2B连接与非门U3C的一个输入端，U1芯片的6脚输出连接与非门U3C的另一个输入端，与非门U3C的输出端为第二控制信号输出端，输出X8信号；光耦OP2的副边的非接地端通过非门U2A连接与非门U3A的一个输入端，光耦OP1的副边的非接地端连接与非门U3A的另一个输入端，与非门U3A的输出端通过非门U2D连接与非门U3B的一个输入端，U1芯片的6脚输出连接与非门U3B的另一个输入端，与非门U3B的输出端为第一控制信号输出端，输出X7信号。

逻辑判断及输出电路中的两个控制信号输出端中，第一控制信号输出端用于控制连接第一可控硅，第二控制信号输出端用于控制连接第二可控硅。

当UPS装置工作正常时，X6信号为高电平，光耦OP1原边不导通，使得U2B的输入为高电平状态，U2B的输出为低电平状态，U3C的另一个输入端输入的是方波信号，那么，U3C输出为高电平信号，并非是方波信号，即X8为高电平信号，所以，无法控制第二可控硅导通。并且，T6导通，光耦OP2原边导通，使得U2A的输入为低电平状态，U2A的输出为高电平状态，U3A的两输入管脚均为高电平，其输出为低电平，使得U2D的输出为高电平，高电平与方波信号经过与非门之后输出方波信号，即X7信号为频率为1.2kHz的方波信号，第一可控硅导通，控制切换装置切换至UPS装置。

因此，当UPS正常工作时，X6信号为高电平，X7信号为1.2kHz的方波，X8信号为高点平，即控制切换至UPS装置的可控硅开通，控制切换至旁路的可控硅关断，系统由UPS装置供电。

当UPS装置工作异常时，X6信号为低电平，光耦OP1原边导通，使得U2B的输入为低电平状态，U2B的输出为高电平状态，U3C的另一个输入端输入的是方波信号，那么，U3C输出为方波信号，即X8为1.2kHz的方波信号，所以，第二可控硅导通，切换装置切换至旁路线路。此时，T6不导通，光耦OP2原边不导通，使得U2A的输入为高电平状态，U2A的输出为低电平状态，U3A输出为高电平，使得U2D的输出为低电平，低电平与方波信号经过与非门之后输出高电平信号，即X7信号为高电平信号，无法控制第一可控硅导通。

因此，当UPS异常时，X6信号为低电平，X7信号为高点平，X8信号为1.2kHz的方波，即控制切换至UPS装置的可控硅关断，控制切换至旁路的可控硅导通，系统旁路供电。

上述实施例中，当电压检测模块检测的相应位置的电压信号为正常信号时，输出高电平信号，异常时，输出低电平信号，并且本实施例中的具体的电路中的逻辑判断也是基于上述方式的。当然，这只是一种实施方式，电压检测模块根据电压的情况而输出的电平信号是定义出来的，那么，作为其他的实施方式，当电压检测模块检测的相应位置的电压信号为正常信号时，也可以输出低电平信号，异常时，也可以输出高电平信号，那么支持该逻辑方式的具体电路结构也会相应地改变。

上述实施例中，每个UPS模块中有三个电压检测点，分别是交直流输入端、中间线路和输出端，这只是一种优化的实施方式，作为其他的实施方式，电压检测点的个数是可以根据精度要求进行具体设置的，如果精度要求较高，那么，可以设置多于三个检测点，比如如图4所示，在原有的三个的基础上，还可以在全桥逆变处、升压电路、高频逆变处等设置有电压检测点，逻辑判据与上述实施例中的相同；另外，电压检测点的个数需要满足至少得有2个的要求，即每个UPS模块中要至少设置两个电压检测点，并且一个在交直流输入端或者输出端，另一个在中间线路上。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，所以本发明并不局限于本实施例中的各个组成部分的具体电路。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。