CN101001051B - 无输出变压器的ups - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无输出变压器的UPS，包括输入电路，由开关器件组成、通过输入电路输入工频交流电并完成升压和整流功能的整流电路，直流母线，通过直流母线与整流电路相连并逆变出稳定的正弦波的逆变电路，用于将逆变电路逆变出的正弦波输出到负载的输出电路，无外部输入输出中线，输入电路的输入端子由两相或三相线电压输入端子组成，输出电路的输出端子也相应的由两相或三相线电压输出端子组成。本发明与带中线无变压器式UPS相比，不需要中线输入，节省了中线的电缆费用，同时母线电压降低，对母线电容和IGBT的耐压要求降低，开关损耗减少，效率提高。
Description
【技术领域】
本发明涉及电源技术，尤其涉及一种无输出变压器的不间断电源(UPS)。
【背景技术】
目前的双变换UPS通常是两类：带输出变压器式和带中线无输出变压器两种。
带输出变压器式UPS见图1：通常是整流器21将母线电压稳定到一个较低的电压，方便电池的直接接入母线，利用整流器作为电池的充电器，然后在逆变器4环节利用逆变器4与变压器10结合进行升压和稳压的调节。该方式优点是省掉了大功率的电池充放电变换，实现了电气隔离，输出的零地电压低。缺点是必须带有变压器，变压器变比必须留有较大的余量，以补偿电池电压的变化；同时由于采用SCR降压整流，母线电压低，该拓扑方式无法实现功率因数校正(PFC)。
随着市场竞争的加剧，带输出变压器式UPS由于其成本高、体积大被如图2所示的带中线无输出变压器的UPS逐步取代。该电路的原理如下：输入部分的升压和整流电路2与串联的两个直流母线电容，可以看作是半桥变换的电路形式，输入的A、B、C三相分别与三个开关桥臂相连，中线接到2个电容组成的桥臂上。即可以看作是三个单相电路的组合。我们以一相为例说明原理：相电源的正负半波采用SPWM(正弦脉宽调制)变换进行Boost升压，这样正负直流母线上的总电压至少高于2倍相电压的峰值电压加滤波电感上电压降。对于输入相电压为220V的情况，要求母线电压高于2*1.414*ULN(ULN表示相电压)，即大于620V，一般取为800V(即正负400V)。半桥式整流电路2可以保证输入电流为正弦输入，以提高功率因素及减小电流谐波。由于该电路是将相电压的正负半波分别进行Boost升压的方式进行处理，升压后的直流为正负对称的直流母线电压，所以输入中线须连接到直流母线的中点，才能保证输入正负半波回路的形成。逆变电路4和两个直流母线电容也是半桥电路结构形式，也可以分别看作三个单相的逆变电路的合成。由于正负对称的母线电压高于正弦半波的峰值，经过半桥SPWM(正弦脉宽调制)逆变和滤波后，分别得到三相输出。母线电容的中点与输出中线的连接也是为了保证输出单相的正负半波回路的形成；所以该电路输入输出的中线必须与直流的母线的中点相连，即该三相无变压器UPS输入、输出为三相四线。
该电路优点是省掉了输出的升压变压器，整流器通常具有PFC功能。缺点是需要外界输入输出中线。
该无输出变压器的UPS设计适合于具有中线且输出相电压为220V的电网系统，但对于没有中线或输出线电压为480V的电网系统，如果直接用同样的电路，存在以下缺点：1)母线电压很高，一般取940V，需要选用高耐压的IGBT器件和直流电解电容，导致成本上升。同时高的直流母线电压导致开关损耗较大，影响效率的提高。2)需要贯通的输入输出中线，即在无中线电源时，需要用单独的变压器来提供中线，导致性价比不好，在高楼的场合，需要将中线从地面拉到大厦上面，增加了中线的成本。
【发明内容】
本发明的主要目的就是为了解决现有技术中的问题，提供一种无输出变压器无输入中线的UPS，输入端不需要提供外部中线即可实现功率因数校正功能，并且降低开关损耗，提高了效率，降低了成本。
为实现上述目的，本发明提出的一种无输出变压器的UPS，包括：
输入电路；
升压整流电路，通过输入电路输入工频交流电并完成升压和整流功能；
直流母线；
逆变电路，通过直流母线与整流电路相耦合并逆变出稳定的正弦波；
输出电路，用于将逆变电路逆变出的正弦波输出到负载；
还包括第二共模电感，所述第二共模电感串接在输出电路和逆变电路之间；所述输入电路包括第一输入滤波电容、第二输入滤波电容和第一输入滤波电感、第二输入滤波电感，所述第一输入滤波电感、第二输入滤波电感的输入端接入交流电，输出端耦合至升压整流电路，所述第一输入滤波电容的第一端接第二输入滤波电感的输出端，所述第二输入滤波电容的第一端接第一输入滤波电感的输出端，所述第一输入滤波电容、第二输入滤波电容的第二端连接在一起；与所述直流母线相连的电容包括第一母线电容和第二母线电容，所述第一母线电容第一端接正母线、所述第一母线电容第二端接第二母线电容第一端，所述第一输入滤波电容、第二输入滤波电容的第二端耦合至第二母线电容第一端；所述第二母线电容第二端接负母线。
还包括第一共模电感，所述第一共模电感串接在输入电路和升压整流电路之间。
所述输出电路包括第一输出滤波电容、第二输出滤波电容和第一输出滤波电感、第二输出滤波电感，所述第一输出滤波电感、第二输出滤波电感的输入端耦合至第二共模电感的输出，第一输出滤波电感、第二输出滤波电感输出端用于连接负载，所述第一输出滤波电容接第二输入滤波电感的输出端、所述第二输出滤波电容接第一输出滤波电感的输出端，所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容的第二端连接在一起。
所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容的第二端耦合至第二母线电容第一端。
所述输入电路还包括第三输入滤波电容和第三输入滤波电感，所述第三输入滤波电感的输入端接入交流电，输出端耦合至升压整流电路，所述第三输入滤波电容的第一端连接第三输入滤波电感的输出端，所述第三输入滤波电容的第二端与第二输入滤波电容的第二端连接在一起；所述输出电路包括第三输出滤波电容和第三输出滤波电感，所述第三输出滤波电感的输入端接入第二共模电感的输出，第三输出滤波电感输出端用于连接负载，所述第三输出滤波电容的第一端连接第三输出滤波电感的输出端，所述第三输出滤波电容的第二端与第二输出滤波电容的第二端连接在一起。
还包括第一中线滤波电容，所述第一输入滤波电容、第二输入滤波电容和第三输入滤波电容的第二端经第一中线滤波电容耦合至第二母线电容第一端。
还包括中点桥臂和第三共模电感，所述中点桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管连接后跨接在所述直流母线两端，所述第三共模电感第一端耦合在第一开关管和第二开关管之间、第二端耦合至第一输出滤波电容第二端。
还包括第一中线滤波电容和第二中线滤波电容，所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容和第三输出滤波电容的第二端经第二中线滤波电容耦合至第二母线电容第一端。
所述升压整流电路包括用于输入交流电的升压电感和与升压电感的输出端相连的整流器，所述整流器采用空间矢量脉宽调制波形(SVPWM)控制，控制整流器中的各个开关器件导通和断开。
所述逆变电路采用空间矢量脉宽调制波形控制，控制逆变电路中的各个开关器件导通和断开。
本发明的原理如图3、4所示：整流和逆变分别为两个全桥电路，电容为一个总的电容。输入整流部分2，三相输入通过电感后，分别接到三个开关桥臂；它的工作方式是采用线电压的处理方式，所以只要求母线电压大于线电压的峰值。正负半波的峰值依靠全桥电路来进行极性的倒换，所以只需要一个总的母线电压，不需要正负母线。逆变也是同样的道理，采用的是全桥电路的变换，不需要正负母线。这样母线电压只要比线电压的峰值高即可，即大于1.414*ULL(ULL表示线电压)就可以。而带中线式，母线电压需要大于2*1.414*ULN(ULN表示相电压)，两种电路比较，母线电压前者只是后者的86.6％。即无中线式比有中线式，母线电压低13.4％。同时由于不需要中线形成回路，可以取消输入输出中线。
本发明改变了以前的思维方式，省去了外接的输入输出中线，根据以上分析，将外接的中线去掉后形成了一种新的整流升压和逆变方式，不但对UPS和负载没有损害，还具有以下有益效果：1)节约了外接中线电缆的费用，也节省了外接中线的施工费用，降低了UPS的整体成本和维护成本，特别在电网中没有中线的国家更具有市场竞争力。2)由于PFC(电源功率校正)功能不是通过中线实现，而是通过升压整流电路将输入的工频交流电升压并整流后稳定在一个较低的母线电压，既实现了PFC功能，又降低了对开关器件的耐压要求。与带输入中线的方式相比，母线电压低了13.4％左右，这使开关器件不须选用高耐压的IGBT器件和电解电容，降低了成本，同时也降低了开关器件的损耗，UPS的效率得到提升。特别对480V电源系统3wires+ground的电源和负载，节约了成本。3)本方案中的整流电路和逆变电路采用SVPWM控制，利用率高。并且中间直流母线电压电压低，与SPWM(正弦脉宽控制)方式比，减小了差模电感上压降，进一步降低了电感上损耗和成本。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是现有技术中的带输出变压器式UPS的拓扑结构图；
图2是现有技术中的带中线无输出变压器式UPS的拓扑结构图；
图3是本发明的不带中线无输出变压器式UPS的原理图；
图4是本发明的不带中线无输出变压器式UPS的母线电压和线电压的波形图；
图5是本发明的一种实施例的拓扑结构图；
图6是本发明的另一种实施例的拓扑结构图；
图7是本发明的又一种实施例的拓扑结构图；
图8是本发明的再一种实施例的拓扑结构图；
图9是本发明的再一种实施例的拓扑结构图；
图10是本发明输入电路、整流电路和输出电路为两相的拓扑结构图。
【具体实施方式】
具体实施例一、如图3所示，没有外部输入输出中线，输入输出为三相三线制。输入电路1只输入工频三相交流电的三路线电压，因没有输入中线，所以也没有相电压。输入电路1比较好的是由输入滤波电容C11、C12、C13和输入滤波电感L11、L12、L13组成，消除了高频开关纹波电流对电网的影响，输入滤波电感L11、L12、L13的输入端分别与三相交流电输入端子A1、B1、C1连接，输入滤波电容C11、C12、C13的一端分别连接输入滤波电感L11、L12、L13的输出端，输入滤波电容C11、C12、C13的另一端连接在一起。升压整流电路2包括三个升压电感L14、L15、L16和整流器21，三个升压电感L14、L15、L16分别与输入滤波电感L11、L12、L13的输出端一一对应相连，将滤波后的交流电升压后输出到整流器21，整流器21由若干IGBT开关器件组成，也相应的为三相电路。逆变电路4通过直流母线3与整流电路2相连，逆变电路4由若干IGBT开关器件组成，其逆变输出的三路纯正正弦波通过输出电路5加到负载上。输出电路5也只输出三路线电压，因没有输出中线，所以也没有相电压。输出电路5比较好的是由输出滤波电容C21、C22、C23和输出滤波电感L21、L22、L23组成，消除了高频开关纹波电流对负载的影响。输出滤波电感L21、L22、L23的输入端分别连接逆变电路4输出的三路正弦波，输出端连接负载，输出滤波电容C21、C22、C23的一端连接输出滤波电感L21、L22、L23的输出端，输出滤波电容C21、C22、C23的另一端连接在一起。
较佳的控制是整流器21采用SVPWM方式控制，使整流电路中的各个开关器件导通和断开。逆变电路也采用SVPWM方式控制，控制逆变电路中的各个开关器件导通和断开，将较低的母线电压逆变出稳定的正弦波输出，在输出端A2、B2、C2得到纯正的正弦波。
整流器输入为三相线电压，整流器将此交流线电压进行升压变换，将输入电压升压并稳定在一个较低的母线电压，并在输入电压变化的情况下，均将直流母线电压VDCBUS稳定在较低的母线电压(VDCBUS大于1.414*ULL即可，ULL为线电压)，逆变器再将此稳定的直流电压，逆变成一个稳定的交流线电压输出。从图4波形图中可以看到，只有一个母线电压，对正负半周而言，均只要求此电压大于线电压的峰值即可。相比较带中线无变压器的拓扑，它的母线电压VDCBUS为必须大于2*1.414*ULN，ULN为相电压。一般而言，对480V的电压系统，无中线式母线电压应该为大于678V，考虑接近20％的输入上限，一般取为810V，但若有中线式的母线电压应该为大于784V，同样考虑接近20％的输入上限，一般取为940V。可见本实施例与带中线无变压器式UPS相比，不需要中线输入；同时母线电压降低，由于没有中线，母线电压只要升压后比线电压高就可以，即大于1.414*U(线)就可以，而带中线的母线必须大于2*1.414*U(相)，两种方式电压相差13.4％左右，母线电容和IGBT的耐压要求降低，开关损耗减少，效率提高。该实施例与带变压器式UPS相比省掉了变压器，同时具有PFC校正的功能。
具体实施例二、如图5所示，与实施例一不同的是增加了内部中线结构。输入的火线对大地会产生共模电压，共模电压会对负载造成损害，为了避免共模电压对负载的损害，在UPS的内部提供一个共模电压释放回路。在直流正负母线+B、-B之间接有串联的第一电容C1和第二电容C2，输入滤波电容C11、C12、C13和输出滤波电容C21、C22、C23分别和第一电容C1、第二电容C2串联的中心点连接，构成内部中线回路，给共模信号提供通路。
具体实施例三、如图6所示，与实施例二不同的是在中线回路中串入第一中线滤波电容C1N和第二中线滤波电容C2N，其中第一中线滤波电容C1N串接在输入滤波电容C11、C12、C13和串联的第一电容C1和第二电容C2的中心点之间，第二中线滤波电容C2N串接在输出滤波电容C21、C22、C23分别和串联的第一电容C1和第二电容C2的中心点之间。本实施例可通过中线滤波电容C1N C2N阻止三次谐波形成的电流，而只让高频开关纹波通过，这样可以减小输入电感上的压降和IGBT上流过的电流。
具体实施例四、如图7所示，与实施例二不同的是增加了共模电感，进一步限制共模信号的外泄，尽量减少对外部产生影响。在输入电路的输入滤波电感L11、L12、L13的输出端与升压电感L14、L15、L16的输入端之间串接有第一共模电感L1com，在输出电路的输出滤波电感L21、L22、L23的输入端与逆变电路的输出端之间串接有第二共模电感L2com。
具体实施例五、如图8所示，是增加内部中线结构的另一种实施例，直流母线为正负母线+B、-B之间接有串联的第一电容C1和第二电容C2的结构，输入滤波电容C11、C12、C13和第一电容C1、第二电容C2串联的中心点连接，由开关器件串联所组成的中点桥臂6连接在正负母线+B、-B之间，第三共模电感Ln串接在中点桥臂6的中心点和输出滤波电容C21、C22、C23之间。本实施例由开关组件6形成一补偿电压，可使高低次共模信号在共模电感上产生压降，保证输出端对地为标准的正弦波。CN2为高频的共模信号提供通路。
具体实施例六、如图9所示，在实施例四的基础上还可以将第一中线滤波电容C1N串接在输入滤波电容C11、C12、C13和串联的第一电容C1和第二电容C2的中心点之间，阻止三次谐波形成的电流，减小输入电感上的压降和IGBT上流过的电流。
同理，上述实施例中的输入电路、整流电路和输出电路也可以为两相电路，如图10所示。
Claims (10)
1.一种无输出变压器的UPS，包括：
输入电路；
升压整流电路，通过输入电路输入工频交流电并完成升压和整流功能；
直流母线；
逆变电路，通过直流母线与升压整流电路相耦合并逆变出占空比可以调节的PWM波；
输出电路，用于将逆变电路产生的PWM波，滤波后产生稳定的正弦波输出；其特征在于：还包括第二共模电感(L2com)，所述第二共模电感(L2com)串接在输出电路和逆变电路之间；所述输入电路包括第一输入滤波电容(C12)、第二输入滤波电容(C13)和第一输入滤波电感(L11)、第二输入滤波电感(L12)，所述第一输入滤波电感(L11)、第二输入滤波电感(L12)的输入端接入交流电，输出端耦合至升压整流电路，所述第一输入滤波电容(C12)的第一端接第二输入滤波电感(L12)的输出端，所述第二输入滤波电容(C13)的第一端接第一输入滤波电感(L11)的输出端，所述第一输入滤波电容(C12)、第二输入滤波电容(C13)的第二端连接在一起；
与所述直流母线相连的电容包括第一母线电容(C1)和第二母线电容(C2)，所述第一母线电容(C1)第一端接正母线(+B)、所述第一母线电容(C1)第二端接第二母线电容(C2)第一端，所述第一输入滤波电容(C12)、第二输入滤波电容(C13)的第二端耦合至第二母线电容(C2)第一端；所述第二母线电容(C2)第二端接负母线(-B)。
2.如权利要求1所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：还包括第一共模电感(L1com)，所述第一共模电感(L1com)串接在输入电路和升压整流电路之间。
3.如权利要求2所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：所述输出电路包括第一输出滤波电容(C22)、第二输出滤波电容(C23)和第一输出滤波电感(L21)、第二输出滤波电感(L22)，所述第一输出滤波电感(L21)、第二输出滤波电感(L22)的输入端耦合至第二共模电感(L2com)的输出，第一输出滤波电感(L21)、第二输出滤波电感(L22)输出端用于连接负载，所述第一输出滤波电容(C22)的第一端接第二输入滤波电感(L12)的输出端、所述第二输出滤波电容(C23)的第一端接第一输出滤波电感(L21)的输出端，所述第一输出滤波电容(C22)、第二输出滤波电容(C23)的第二端连接在一起。
4.如权利要求3所述的无输出变压器UPS，其特征在于：所述第一输出滤波电容(C22)、第二输出滤波电容(C23)的第二端耦合至第二母线电容(C2)第一端。
5.如权利要求4所述的无输出变压器UPS，其特征在于：所述输入电路还包括第三输入滤波电容(C11)和第三输入滤波电感(L13)，所述第三输入滤波电感(L13)的输入端接入交流电，输出端通过所述第一共模电感(L1com)耦合至升压整流电路，所述第三输入滤波电容(C11)的第一端连接第三输入滤波电感(L13)的输出端，所述第三输入滤波电容(C11)的第二端与第二输入滤波电容(C13)的第二端连接在一起；所述输出电路包括第三输出滤波电容(C21)和第三输出滤波电感(L23)，所述第三输出滤波电感(L23)的输入端接入第二共模电感的输出，第三输出滤波电感(L23)输出端用于连接负载，所述第三输出滤波电容(C21)的第一端连接第三输出滤波电感(L23)的输出端，所述第三输出滤波电容(C21)的第二端与第二输出滤波电容(C23)的第二端连接在一起。
6.如权利要求5所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：还包括第一中线滤波电容(C1N)，所述第一输入滤波电容(C12)、第二输入滤波电容(C13)和第三输入滤波电容(C11)的第二端经第一中线滤波电容(C1N)耦合至第二母线电容(C2)第一端。
7.如权利要求5或6所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：还包括中点桥臂和第三共模电感(Ln)，所述中点桥臂包括第一开关管(Snup)和第二开关管(Sndown)，所述第一开关管(Snup)和第二开关管(Sndown)连接后跨接在所述直流母线两端，所述第三共模电感(Ln)第一端耦合在第一开关管(Snup)和第二开关管(Sndown)之间、第二端耦合至第一输出滤波电容(C22)第二端。
8.如权利要求6所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：还包括第二中线滤波电容(C2N)，所述第一输出滤波电容(C22)、第二输出滤波电容(C23)和第三输出滤波电容(C21)的第二端经第二中线滤波电容(C2N)耦合至第二母线电容(C2)第一端。
9.如权利要求1-6任一所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：所述升压整流电路包括用于输入交流电的升压电感和与升压电感的输出端相连的整流器，所述整流器采用空间矢量脉宽调制波形控制，控制整流器中的各个开关器件导通和断开。
10.如权利要求9所述的无输出变压器的UPS，其特征在于：所述逆变电路采用空间矢量脉宽调制波形控制，控制逆变电路中的各个开关器件导通和断开。
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