CN101521393A - 在线式不间断电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线式不间断电源装置，包括滤波装置、电池、交流/直流转换装置、直流/交流转换装置、以及处理装置；其中所述直流/交流转换装置包括低通滤波器和两个自关断电力半导体器件；所述交流/直流转换装置包括低通滤波器、用于储能的电感、两个自关断电力半导体器件、以及用于滤波的电容；所述处理装置在输出端检测到电流谐波时，控制所述直流/交流转换装置的自关断电力半导体器件交替开关切换以产生谐波电流注入市电输出端，以抵消所检测到的电流谐波；并根据所述交流/直流转换装置的输入电流波形及输出电压反馈，控制所述交流/直流转换装置的两个自关断电力半导体器件交替开关切换以使输入电流的波形接近正弦波。

Description

在线式不间断电源装置

技术领域

本发明涉及一种不间断电源装置，尤指一种改进的在线式不间断电源装置。

背景技术

不间断电源(UPS)是一种交流电源装置。目前，公知的在线式不间断电源装置，采用交流-直流、直流-交流的双转换装置。如图2所示，市电输入先由滤波装置111进行滤波，再经过保险丝112过载保护，再由三相全桥整流装置113整流，经电容滤波装置115滤成直流电压，电池装置114也经过三相全桥整流装置113提供直流电压，经过保险丝116送到逆变装置117，将直流电压采用SPWM(SINEWAVE PULSE WIDTH MODULATION)控制技术经工频变压器隔离升压产生正弦波电压，经过继电装置118切换输出净化的交流电源再经过滤波装置119滤波后输出到客户端供电。但是目前公知的在线式不间断电源装置UPS存在以下几个问题：(1)整机满负荷运行效率约80％，轻载时效率更低；(2)输入采用全波整流，输入功率因子(POWERFACTER，简称PF)只有0.6；(3)在系统中产生很高的谐波电流影响电网电力质量。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种在线式不间断电源装置，其包含一个由处理装置控制的直流/交流转换装置，根据输出端检测到的电流谐波来产生谐波电流注入市电输出端，以抵消所检测到的电流谐波，从而降低系统中的谐波电压与谐波电流，使之符合电力法规的规定，实现节能的目的。

为实现本发明的上述目的，本发明的在线式不间断电源装置包括：

一第一滤波装置，设置于市电输入端，用来对所输入的市电进行滤波；

一电池装置，用于提供直流电压；

一交流/直流转换装置，其输入端电连接于所述第一滤波装置，用于将经滤波的交流电压转换为直流电压输出；

一直流/交流转换装置，其输入端电连接于所述交流/直流转换装置的输出端，并且与电池装置的输出端电连接，用来将交流/直流转换装置或电池装置输出的直流电压转换为交流电压；

一第二滤波装置，设置于市电输出端，用来对所输出的市电进行滤波；

一电源，用来提供电源给该在线式不间断电源装置的控制电路及驱动电路；以及

一处理装置；其中

所述直流/交流转换装置包括一低通滤波器，以及两个自关断电力半导体器件；所述处理装置，利用数字信号处理器(DSP)或微处理器(MPU)来提供PWM信号，在输出端检测到电流谐波时，控制所述直流/交流转换装置的两个自关断电力半导体器件交替开关切换以产生谐波电流注入市电输出端，从而抵消所检测到的电流谐波。

本发明的另一目的在于提供一种改进的在线式不间断电源装置，其包含一个由处理装置控制的交流/直流转换装置，根据输入电流波形及输出电压反馈，来调整输入电流的波形，使输出电流接近正弦波，从而提供输入功率因子修正。

为实现本发明的上述目的，该在线式不间断电源装置的所述交流/直流转换装置包括：一低通滤波器，一用于储能的电感，两个自关断电力半导体器件，以及用于分别对通过所述自关断电力半导体器件的电压进行滤波的电容；所述处理装置根据所述交流/直流转换装置的输入电流波形及输出电压反馈，控制所述交流/直流转换装置的两个自关断电力半导体器件交替开关切换以使输出电流的波形接近正弦波。

该在线式不间断电源装置由于采用上述技术方案，利用数字化处理装置控制交流/直流转换装置及直流交流转换装置，采用混合运作控制，降低总的能量的损耗，降低待机功率损耗，并提高输入功率因子，降低总谐波电流及总谐波电压，在较宽市电电压波动范围内可满载运行，提高供电电源质量与整机运行效率，实现节能的目的。

附图说明

图1是根据本发明的在线式不间断电源装置的结构方块示意图；以及

图2是现有的在线式不间断电源装置结构方块示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明在线式不间断电源装置一较佳具体实施例的结构方块示意图。该在线式不间断电源装置包括：

一三相平衡开关装置1，由两个独立的第五开关装置11、第六开关装置12组成，设置于市电输入端，用来根据所述的处理装置17检测到市电输入端的三相电压对所述第五开关装置11或者第六开关装置12进行控制，从而可选择地电连接较轻负荷的单相电源，以平衡三相供电；

一第一开关装置8，设置于市电输入端与输出端之间，用来连接或断开市电供应与市电输出端的连接；

一第一滤波装置2，设置于市电输入端，用来对所输入的市电进行滤波；

一电池装置18，用于提供直流电压；

一直流/直流转换装置19，设置于所述电池装置18与直流/交流转换装置7之间，用来在低电池电压时将直流低电压升压为直流高电压；

一交流/直流转换装置6，其输入端电连接于所述第一滤波装置2，用于将经滤波的交流电压转换为直流电压输出；

一第一保护装置3，设置于所述的第一滤波装置2与交流/直流转换装置6之间，防止电路过载及短路保护；

一限流保护装置4，设置于所述第一滤波装置2与交流/直流转换装置6之间，该限流保护装置4包括两个以并联方式电连接的两个独立第三开关装置41、第四开关装置42，以及与所述第四开关装置42串联电连接的电阻43，用以限制该在线式不间断电源装置的启动电流，并在电池供电时完全切离该在线式不间断电源控制装置与系统电网的连接避免UPS的电磁干扰与电磁兼容的问题；

一直流/交流转换装置7，其输入端电连接于所述交流/直流转换装置6的输出端，并且与电池装置18的输出端电连接，用来将交流/直流转换装置6或电池装置18输出的直流电压转换为交流电压；

一第二保护装置5，设置于所述的第一滤波装置2与第二滤波装置10之间，防止电路过载及短路保护；

一第二开关装置9，设置于直流/交流转换装置7与市电输出端之间，用来连接或断开直流/交流转换装置7与市电输出端的连接；

一第二滤波装置10，设置于市电输出端，用来对所输出的市电进行滤波；

一电源20，用来提供电源给该不间断电源装置的控制电路及驱动电路；以及

一处理装置17。

所述的第一保护装置3、第二保护装置5可采用保险丝或断路器。

上述的直流/直流转换装置19，由DSP控制器产生PWM(PULSEWIDTH MODULATION)控制信号，来控制直流/直流转换装置19内部的自关断电力半导体器件，将电池直流电压升压转换成高直流电压，检测输出直流高电压上电压反馈信号121、122调整PWM宽度，产生固定的直流高电压输出，该装置只在电池供电直交变换输出模式下才会工作，有市电时不工作。

上述的交流/直流转换装置6，当市电接入时由所述限流保护装置4限制启动电流，利用半导体器件64，65内置的旁路二极管组成半桥全波整流电路，市电正半周经半导体器件64内置的旁路二极管对第二电容66充电滤成正直流电压，市电负半周经半导体器件65内置的旁路二极管对第三电容67充电滤成负直流电压，市电零线电压成为直流电压的零伏端，等启动电流稳定后由DSP控制器产生PWM控制信号，来控制自关断电力半导体器件64、65交替开关切换，又DSP控制器通过电感器63所组成的升压电路检测输入电流波形62，及输出直流电压反馈信号121、122以调整PWM宽度，使输入电流波形接近正弦波并提供固定的输出直流高电压，使市电输入功率因子接近1。

上述的直流/交流转换装置7，是一典型的半桥逆变(INVERTER)装置，由自关断电力半导体器件71、72，第三电感74，第四电容75所组成的可向用户端市电注入谐波电流的谐波发生器，可以产生相位频率幅值可调的谐波电流，将这些谐波电流注入系统，以抵消原有的谐波；也可以采用正弦脉冲宽度调制控制方式产生固定电压固定频率的纯净正弦波电压，由DSP控制器产生控制信号，来控制自关断电力半导体器件71、72做交替开关切换。控制模式分为两种：一种是正弦脉冲调变信号运行模式，由DSP控制器产生正弦脉冲调变信号(SPWM)将直流电压转换后经第三电感74，第四电容75，滤成工频的正弦波电压，并检测输出电压反馈信号77调整SPWM信号产生固定电压固定频率的纯净正弦波电压；一种是主动滤波(Active-Filtrate)运行模式，由DSP控制器检测输出端谐波电流78，产生反向谐波电流注入到输出端，检测所产生的谐波电流73，抵消客户端设备产生的谐波电流，让输出端的电流波形78接近正弦波电流，降低总谐波电流符合电力法规的要求。

上述电源20，输入电源主要交流/直流转换装置6输出端做为电源的输入，并有一电池供电回路可启动控制电源，在无市电下可以实现由电池供电，起动UPS输出供电。另有一充电回路除了在电池供电运行模式不工作外，其它模式都能对电池充电，并由DSP控制器检测电池电压，充电电压，充电电流，电池放电时间及次数管理，电池使用年限到期通知等智能化管理。

本发明的该较佳具体实施例的在线式不间断电源装置的具体工作模式如下：

模式一：市电旁路输出模式

在市电电力供电质量良好且客户端的设备有功因提升装置使功率因子接近1时，市电从三相平衡开关装置1经过第一滤波装置2，第一电感21，第二保护装置5，第一开关装置8，第二滤波装置10，将市电输出给用户的设备，本机实时检测输出电压将反馈电压76，输出电流波形78接入处理装置17，DSP根据市电供电质量的状况调整运行模式，此模式该在线式不间断电源装置整机满载运行效率>97％。

模式二：主动滤波运行模式

在市电电力供电质量在电力法规规定的电压，频率，范围内，同市电旁路输出一样将市电从三相平衡开关装置1经过第一滤波装置2，第一电感21，第二保护装置5，第一开关装置8，第二滤波装置10，将市电输出给用户的设备，此时第二开关装置9导通，直流/交流转换装置7将会工作。由DSP控制器检测78输出端电流波形，送出PWM信号供71，72自关断电力半导体器件做交替开关切换，产生高频谐波电流经73电流波形检测，第三电感74，第四电容75组成的低通滤波器，经第二开关装置9注入到输出端，抵消客户端设备产生的谐波电流，让输出端的电流波形变成正弦波电流，纯阻性负载，提高功率因子接近1，并降低总谐波电压(<3％)与谐波电流(<3％)符合电力法规的要求，由于直流/交流转换装置7采用补偿并联运行，该在线式不间断电源整机满载运行效率>93％。

模式三：交直交双变换输出模式

由电压检测器16检测市电输入电压，在市电电力供电质量超出电力法规规定的电压、频率范围时，将市电从三相平衡开关装置1经过第一滤波装置2，第一电感21，第一保护装置3，限流保护装置4，交流/直流转换装置6，直流/交流转换装置7，第二开关装置9，第二滤波装置10输出纯净的电源给用户的设备，第一开关装置8断开。第一电感21，第一电容61组成低通滤波电路后，经电流波形检测62，第二电感63与自关断电力半导体器件64，自关断电力半导体器件65组成的交流/直流转换装置6，由DSP控制器检测62输出端电流波形及输出端电压反馈121，122，调整PWM信号控制自关断电力半导体器件65，自关断电力半导体器件64做交替开关切换，使输入电流接近正弦波，将输入功率因子修正到接近1，并转换成直流高电压经第二电容66，第三电容67滤波作为正负直流电压，作为直流/交流转换装置7的输入电源。直流/交流转换装置7，由71，72自关断电力半导体器件组成半桥逆变器，由DSP控制器产生正弦脉冲调变信号(SPWM)将直流电压由71，72切换开关，经第三电感74，第四电容75将高频谐波滤除成为纯净的正弦波电源输出，输出电压反馈77与电流波形73检测来提供给控制装置调整SPWM信号，输出产生固定电压固定频率的纯净正弦波电压，并检测电流波形73做过载与输出短路保护。

模式四：电池供电直交变换输出模式

市电停电或瞬断时，交流/直流转换装置6将停止工作，直流/直流转换装置19将电池电压升压转换提供直流电压经第二电容66，第三电容67电容滤波输出到直流母线，由DSP控制器产生脉冲调变信号(PWM)并控制自关断电力半导体器件做交替开关切换，输出电压检测反馈121，122送回DSP控制器调整PWM宽度做闭回路数字化控制。直流/交流转换装置7工作方式同模式三的输出模式。在该种模式下，该在线式不间断电源以不间断的状态继续提供纯净的正弦波电源，直到电池低能量关机。

Claims (9)

1、一种在线式不间断电源装置，包括：

一第一滤波装置(2)，设置于市电输入端，用来对所输入的市电进行滤波；

一电池装置(18)，用于提供直流电压；

一交流/直流转换装置(6)，其输入端电连接于所述第一滤波装置(2)，用于将经滤波的交流电压转换为直流电压输出；

一直流/交流转换装置(7)，其输入端电连接于所述交流/直流转换装置(6)的输出端，并且与电池装置(18)的输出端电连接，用来将交流/直流转换装置(6)或电池装置(18)输出的直流电压转换为交流电压；

一第二滤波装置(10)，设置于市电输出端，用来对所输出的市电进行滤波；

一电源(20)，用来提供电源给该不间断电源装置的控制电路及驱动电路；以及

一处理装置(17)；

其特征在于：所述直流/交流转换装置(7)包括一电感(74)与一电容(75)组成的低通滤波器，以及两个自关断电力半导体器件(71、72)；

所述处理装置(17)在输出端检测到电流谐波时，控制所述直流/交流转换装置(7)的两个自关断电力半导体器件(71、72)交替开关切换以产生谐波电流注入市电输出端，从而抵消所检测到的电流谐波。

2、根据权利要求1所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：所述交流/直流转换装置(6)包括：由一电感(21)与一电容(61)组成的低通滤波器，一用于储能的电感(63)，两个自关断电力半导体器件(64、65)，以及用于分别对通过所述自关断电力半导体器件(64、65)的电压进行滤波的电容(66、67)；

所述处理装置(17)根据所述交流/直流转换装置(6)的输入电流波形及输出电压反馈，控制所述交流/直流转换装置(6)的两个自关断电力半导体器件(64、65)交替开关切换以使输入电流的波形接近正弦波。

3、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一第一开关装置(8)，设置于市电输入端与输出端之间，在市电输入超出设定的电压或频率范围时，由所述处理装置(17)控制所述第一开关装置(8)断开，否则，由所述处理装置(17)控制所述第一开关装置(8)闭合。

4、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一直流/直流转换装置(19)，设置于所述电池装置(18)与直流/交流转换装置(7)之间，用来在低电池电压时将直流低电压升压为直流高电压。

5、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一第一保护装置(3)，设置于所述的第一滤波装置(2)与交流/直流转换装置(6)之间，防止电路过载及短路保护。

6、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一第二保护装置(5)，设置于所述的第一滤波装置(2)与第二滤波装置(10)之间，防止电路过载及短路保护。

7、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一限流保护装置(4)，电连接于所述第一滤波装置(2)与交流/直流转换装置(6)之间，包括两个以并联方式电连接的两个独立第三开关装置(41)、第四开关装置(42)，以及与所述第四开关装置(42)串联电连接的电阻(43)，用以限制该在线式不间断电源装置的启动电流，并在电池供电时完全切离该在线式不间断电源装置与系统电网的连接。

8、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：还包括：

一个由两个独立的第五开关装置(11)和第六开关装置(12)组成的三相平衡开关装置(1)，设置于市电输入端，用来根据所述的处理装置(17)检测到市电输入端的三相电压对所述第五开关装置(11)或者第六开关装置(12)进行控制，从而可选择地电连接较轻负荷的单相电源，以平衡三相供电。

9、根据权利要求1或2所述的在线式不间断电源装置，其特征在于：所述处理装置(17)可以为数字信号处理器或者微处理器。

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