CN101572429B - 一种ups系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPS系统，包括市电输入电路、电池组、充电器和UPS主电路，所述市电输入电路和所述电池组以择一方式向所述UPS主电路供电，所述充电器从所述市电输入电路或所述UPS主电路取电，所述充电器的输出端耦合到所述电池组，所述UPS主电路的输入端接有输入电感，所述电池组的正极与所述市电输入电路的送电端子均通过所述输入电感耦合到所述UPS主电路。本发明UPS系统在市电模式和电池模式共用输入电感储能，省去了额外的电池模式电感，从而有效降低了系统的成本。

Description

一种UPS系统

技术领域

本发明涉及不间断电源(Uninterruptible Power Supply，简称UPS)，具体涉及一种UPS系统。

背景技术

在目前UPS业界，能够有效控制三相输入电流谐波的拓扑结构是采用三相电感前置的拓扑结构，其主拓扑结构例如如图1所示。该设计采用三相PFC(功率因素校正)电感L1前置的方式，能够有效的降低三相输入电流的谐波含量。该UPS系统电池挂接采用两组电池BAT+和BAT-，正负两组充电器分别从正母线和负母线取电为电池充电，其DC/DC(直流/直流)转换电路均为BUCK(降压型)电路。

市电模式下三相市电通过前置电感L1储能，通过PFC开关管QA进行高频斩波实现PFC功能，维持母线电压的稳定。同时两组充电器分别从正负母线上取电，给正负两个电池组充电。

电池模式下，两组电池BAT+和BAT-分别通过图1中的两只电池模式电感LB储能，通过PFC开关管进行高频斩波给母线电容充电，保持母线电容电压的稳定。在该方案中充电器采用BUCK拓扑结构较反激式变换器具有效率高且成本低的特点。

但是，该拓扑结构也存在一些不足：

1)采用两组电池进行供电，相比于采用一组电池组进行供电，在装机容量相同情况下客户需要投入更多的成本；

2)市电模式电感L1和电池模式电感LB不能够共用，需要多设计两只电池模式电感LB，增加单机成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对现有技术的不足，提供一种UPS系统，其能够省去电池模式电感，有效地解决单机成本的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种UPS系统，包括市电输入电路、电池组、充电器和UPS主电路，所述市电输入电路和所述电池组以择一方式向所述UPS主电路供电，所述充电器从所述市电输入电路或所述UPS主电路取电，所述充电器的输出端耦合到所述电池组，其特征在于，所述UPS主电路的输入端接有输入电感，所述电池组的正极与所述市电输入电路的送电端子均通过所述输入电感耦合到所述UPS主电路。

所述充电器可为BUCK充电器。

所述BUCK充电器可从所述UPS主电路中的母线电容上取电。

所述BUCK充电器包括充电开关管，所述充电开关管可耦合到所述UPS主电路的正母线或负母线。

所述UPS系统可为单相输入单相输出或三相输入单相输出或三相输入三相输出。

还可包括市电软启动开关，所述市电输入电路的送电端子通过所述市电软启动开关耦合到所述UPS主电路。

还可包括电池软启动开关，所述电池组的正极通过所述电池软启动开关耦合到所述UPS主电路。

本发明有益的技术效果是：

在本发明的UPS系统中，UPS主电路的输入端接有输入电感，电池组的正极与市电输入电路的供电端子均通过该前置的输入电感耦合到UPS主电路，使UPS在市电模式和电池模式下供电时共用该输入电感储能，这样，较以往的分别设置市电模式电感和电池模式电感的方案，本发明的UPS系统省去了额外的电池模式电感，且按照本发明的拓扑结构，在电池模式下只需一组电池组通过输入电感向UPS主电路供电，从而有效降低了UPS系统的成本。

附图说明

图1展示了现有的三相输入、市电模式电感前置的UPS系统；

图2展示了本发明的一种实施例的UPS系统；

图3展示了本发明的一种涵盖多种充电器方案的实施例的UPS系统；

图4A展示了本发明的一种三相输入三相输出的实施例的UPS系统；

图4B展示了本发明的一种单相输入单相输出的实施例的UPS系统；

图5展示了图2所示实施例的一种变形的UPS系统；

图6A展示了本发明的一种仅具备市电软启动功能的实施例的UPS系统；

图6B展示了本发明的一种仅具备电池软启动功能的实施例的UPS系统。

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。

具体实施方式

图2展示了一种较优实施例的UPS系统，包括市电输入电路、电池组、充电器和UPS主电路。市电输入电路和电池组分别以可控制通断的方式耦合到UPS主电路的输入端，并分别在市电模式下和电池模式下开通以向UPS主电路供电，充电器的取电端耦合到市电输入电路或UPS主电路，以从市电输入电路或UPS主电路获取电池组充电电能，充电器的输出端耦合到电池组，在市电模式下对电池组充电。在UPS主电路的输入端，即市电输入电路的各相(单相或三相)送电端子和UPS主电路之间接有前置的输入电感L1(亦可称为PFC电感)，且根据本发明，电池组的正极与市电输入电路的送电端子一样，也通过该输入电感L1耦合到UPS主电路，UPS系统在市电模式和电池模式下均通过该输入电感L1储能，并经UPS主电路变换后给主电路中的母线电容充电，保持母线电容的电压稳定，再经逆变器作用，输出交流电。

如图2所示，本实施例为三相交流输入单相输出的系统，UPS主电路包括整流桥、PFC斩波电路以及逆变器，市电输入电路三相送电端子分别经三个市电输入开关Q1连接到三个输入电感L1的一端，三个输入电感L1的另一端分别连接到整流桥的三个桥臂的中点，PFC斩波电路包括串联后跨接在整流桥的输出正端和输出负端的两个PFC开关管QA，在PFC斩波电路的输出侧，UPS正负母线上分别接有母线电容C1、C2，PFC斩波电路的输出端与母线中点耦合到交流零线N，PFC斩波电路还进一步耦合到逆变器，逆变器的输出端耦合到交流火线L。为了能够共用市电模式和电池模式的电感，将电池BAT的正极通过电池正极开关QBA+与输入电感L1相连。电池正极开关QBA+可以是继电器，IGBT，晶闸管等任意开关器件。待市电模式转电池模式时，切断市电输入开关Q1，闭合电池正极开关QBA+即可。

由于三相市电输入电感L1前置，图1所示的传统UPS系统具有三相输入电流谐波较小的优点，本发明的UPS系统保留了这种优点，且较该传统UPS系统更为有利的是，本发明的UPS系统电池模式和市电模式共用输入电感L1，且由此可仅采用一组电池实现电池模式下供电。

如图2所示，优选地，电池充电器采用非隔离式的BUCK变换器拓扑结构，BUCK充电器的相应从正负母线上同时取电，并通过BUCK变换后给电池模块充电。充电器的隔离功能是由电池组正极开关QBA+和负极开关QBA-实现的。采用非隔离式的BUCK拓扑结构的电池充电器，能有效的降低成本和提高效率。

在一些优选的实施例中，在电池组负极和整流桥输出负端之间连线上还设置有负极开关QBA-。单从电池模式来讲，电池组负极开关QBA-并不是必要的，然而，考虑到UPS工作的特点，在市电模式下充电器需要给电池充电，对于如采用BUCK变换器的非隔离式充电器，当未设置负极开关QBA-时，充电器负极输出将随着PFC开关管QA的开通和关分别被钳位在N线电位和负母线电位上，导致充电器工作不正常，因而，增加电池组负极开关QBA-，可保证此种充电器拓扑下系统的正常运行。

在一些优选的实施例中，UPS系统还包括市电软启动电路和电池软启动电路，用于实现UPS系统的软启动，防止过大冲击电流，保证UPS正常、可靠的运行。如图2所示，更优选地，市电软启动电路包括市电软启动开关QS，市电输入电路的送电端子通过市电软启动开关QS和软启动电阻RS连接到整流桥其中一桥臂的中点，电池软启动电路包括电池软启动开关QBS，电池组BAT的正极连接电池软启动开关QBS，再经同一软启动电阻RS连接到整流桥。

下面详细介绍图2所示的UPS系统的工作原理。

软启动

本UPS系统具有两种软启动方式：电池模式软启动和市电模式软启动。电池模式软启动时，闭合电池软启动开关管QBS，该开关管通过软启动电阻RS，通过整流桥，分别由PFC开关管QA工频开关实现正负母线的软启动。市电模式软启动时，闭合市电软启动开关QS通过市电中的其中一相通过整流桥给正负母线分别进行软启动，此时不需要PFC开关管QA动作，待母线电压与市电峰值电压相差小于5伏时断开QS，切到市电模式。

市电模式

当检测到母线电压与当前市电电压峰值小于一定范围时，如5伏就可以切断市电软启动开关QS，同时闭合开关Q1。此时，三相市电分别通过三相前置电感L1和整流桥实现PFC功能，保持母线电容电压的稳定。市电模式下，与电池相连的开关QBA+和QBA-均处于开路状态，而电池充电器正常工作，从正负母线上取电通过BUCK电路给由开关QBA+和QBA-隔离开的电池组充电。

电池模式

当需要从市电模式切换到电池模式时，例如市电出现问题，如高压、低压、断电、频率超限等市电供电质量问题时，UPS按电池模式工作，市电输入开关Q1断开，充电器与负母线连接的开关QC断开，充电器开关管QB停止工作，以保证电池模式下正常工作。与此同时，电池输入开关QBA+和QBA-同时闭合，PFC开关管QA开始发波，其发波方式为正组和负组开关管一组作高频斩波而一组作工频开关，给正半周母线电容充电时，负组开关管作工频开关，正组作高频斩波，给负半周母线电容充电时，正组开关管作工频开关，负组作高频斩波。

根据实际应用的需求，在不同的实施例中，可采用不同的充电器设计。在一些实施例中，充电器可采用隔离式变换器，隔离式变换器可以单独从市电取电，通过磁隔离如反激式隔离变换后给电池组充电，也可以从主电路中的其中一点，如母线电容上取电，通过磁隔离例如反激式变换电路给电池组充电。在另一些实施例中，充电器可采用如图1所示方式，包括采用BUCK电路通过开关直接与母线相连的方式或者其变形方案。总之，如图3所示，其中的充电器CHARGER可以选自(但不限于)上述任意一种构成方式。

在不同的实施例中，UPS按照输入方式可以分为三相、单相输入。如图4A所示，在一些实施例中，UPS系统为三相输入。如图4B所示，在一些实施例中，UPS系统为单相输入。

在不同的实施例中，UPS按照输出方式可以分为三相、单相输出，图4A展示了三相输出的UPS系统的实施例，图4B单相输出的UPS系统的实施例。

在不同的实施例中，逆变器可以是三电平和两电平或者其他的一些拓扑结构。

另外，对于采用BUCK充电器的实施例，根据拓扑结构的不同也可以选择不同特性的BUCK电路，同样能实现从母线取电并对电池组充电。如图5所示，与图2所示BUCK变换器的充电开关管QB与负母线相连不同，该实施例中更改了BUCK变换器的充电开关管QB的位置，充电开关管QB与正母线直接相连。

再者，按照不同的软启动方式，在不同的实施例中，UPS系统可以单独采用市电软启动、电池软启动或者二者兼备。如图6A所示，相比图2所示的UPS系统，该实施例的UPS系统取消了电池软启动电路，只保留市电软启动电路。图中，软启动电阻RS接在整流桥前，前置输入电感L1的输出端上，即图中所示的B点，在另一些实施例中，软启动电阻RS也可以接在输入电感L1的输入端，即图中所示的A点。如图6B所示，相比图2所示的UPS系统，该实施例的UPS系统取消了市电软启动电路，只保留电池软启动电路。在此种实施例中，软启动电阻的输出端可以选择接在图中所示的位置A、B和C，其中位置C为整流桥的输出正端。

总的来说，无论是更改交流输入拓扑(可以是更改输入相数，如三相或者单相)，还是改变逆变输出拓扑(可以是单相输出，也可以是三相输出，可以是三电平逆变器也可以是两电平逆变器或者其他逆变器的拓扑结构)，还是改变充电器的类型(可以是隔离式或非隔离式)或其挂接方式(可以是直接从市电取电，或者从主电路中的一点取电)，甚至改变软启动电路(保留或取消市电软启动电路或者电池软启动电路，或者采用不同形式的市电软启动电路或电池软启动电路)等等，只要UPS主体拓扑结构为电感前置，而市电和电池组共用该电感，均属于本发明的范畴。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种UPS系统，包括市电输入电路、电池组、充电器和UPS主电路，所述市电输入电路和所述电池组以择一方式向所述UPS主电路供电，所述充电器从所述市电输入电路或所述UPS主电路取电，所述充电器的输出端耦合到所述电池组，其特征在于，所述UPS主电路的输入端接有输入电感，所述电池组的正极与所述市电输入电路的送电端子均通过所述输入电感耦合到所述UPS主电路，所述充电器为非隔离式的BUCK充电器，所述市电输入电路的送电端子经市电输入开关连接到所述输入电感的一端，所述电池组的正极通过电池正极开关QBA+与所述输入电感相连，所述电池组的负极和所述UPS主电路的整流桥输出负端之间连线上还设置有负极开关QBA-。

2.如权利要求1所述的UPS系统，其特征在于，所述BUCK充电器从所述UPS主电路中的母线电容上取电。

3.如权利要求2所述的UPS系统，其特征在于，所述BUCK充电器包括充电开关管，所述充电开关管耦合到所述UPS主电路的正母线或负母线。

4.如权利要求1至3任一项所述的UPS系统，其特征在于，所述UPS系统为单相输入单相输出或三相输入单相输出或三相输入三相输出。

5.如权利要求1至3任一项所述的UPS系统，其特征在于，还包括市电软启动开关，所述市电输入电路的送电端子通过所述市电软启动开关耦合到所述UPS主电路。

6.如权利要求1至3任一项所述的UPS系统，其特征在于，还包括电池软启动开关，所述电池组的正极通过所述电池软启动开关耦合到所述UPS主电路。

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