CN101685975B - 不间断电源中母线电压软启动方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不间断电源中母线电压的软启动方法和装置。所述方法包括：S1.能量经功率转换后传输到正负母线上，向母线电容软启动充电；S2.充电结束后，市电能量进行功率转换后向逆变器供电，产生逆变电压输出；其中，软启动所需能量由软启动能量提供电路提供，所述软启动能量提供电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，通过控制所述第一、第二和第三继电器在开启或闭合以向母线电容软启动充电。本发明可在非隔离Boost型直流源放电拓扑中使用、并且控制逻辑简单，成本较低。

Description

不间断电源中母线电压软启动方法和装置

技术领域

本发明涉及不间断电源(UPS)，更具体地说，涉及一种不间断电源中母线电压的软启动方法和装置。

背景技术

随着电力电子技术的进步以及近几年IT产业的飞速发展，UPS在数据保护方面发挥了重要的作用，同时也在工业、通信、宇航、军工和家庭生活等领域获得了越来越广泛的应用，UPS技术正处于迅猛发展阶段。

母线电压软启动技术是UPS系统设计的重要组成部分，它的主要功能是在UPS开机时将母线电压缓慢地升高到系统可以正常工作的电压，并且在这个过程中不对系统输入和母线电容产生较大的冲击。传统的母线电压软启动方法包括以下三种：

1)限流电阻加继电器组合软启动

如图1所示，该方法在母线电容的充电回路中串联限流电阻，并采用继电器与限流电阻并联。当母线电压软启动时继电器触点断开，由限流电阻限流对母线电容充电；充电结束后继电器触点吸合，将限流电阻短接，进入正常工作状态。该方法的缺点是：需要加入较大功率的限流电阻及大容量的继电器，这样增加了成本，并且降低了可靠性。

2)控制SCR触发角软启动

对于输入侧采用静态开关(SCR)的电路拓扑，其软启动可以通过控制输入SCR的触发角实现，如图2所示。在输入电压的正半周时通过不断加大SCR+的触发角来为正母线充电，同理在输入电压负半周时通过对SCR-的控制来为负母线充电，从而实现母线电压的软启动。由于需要SCR作为静态开关，从而该方法通常在大容量机器中应用，其成本比较高，控制相对复杂，输入冲击电流亦比较大。

3)直流源放电软启动方法

图3为一种通过直流源放电来对母线进行软启动的电路。在该电路中，控制器通过对正负母线电压的检测以及直流源电压的检测来对DC/DC变换器进行控制，使得母线电压缓慢上升。该方法省去了专门用于母线软启动的启动电阻或SCR，但是它通常要求DC/DC变换器为具有软启动功能的隔离型DC/DC变换器，因此这种方法不适用于结构简单的升压(Boost)型直流源放电拓扑。

因此需要一种低成本、适用于非隔离Boost型直流源放电拓扑、控制逻辑简单的母线电压软启动方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述成本高、可靠性差、无法用于升压型直流源放电拓扑的缺陷，提供一种低成本、适用于非隔离Boost型直流源放电拓扑、控制逻辑简单的母线电压软启动方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：构造一种不间断电源中母线电压软启动方法，包括以下步骤：S1、能量经功率转换单元进行功率转换后传输到正负母线上，向母线电容软启动充电；S2、充电结束后，市电能量经功率转换单元进行功率转换后向逆变器供电，产生逆变电压输出；其中，软启动所需能量由软启动能量提供电路提供，其中，所述软启动能量提供电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的第一端之间，所述直流源负极与功率转换单元的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的第一端，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的第一端，通过控制所述第一、第二和第三继电器开启或闭合以向母线电容软启动充电。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动方法中，所述步骤S1进一步包括：S11、闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电，S12、当正负母线电压值大于判断阈值时，判断第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，通过控制开关管工作从而使母线电压按照设定的曲线上升；S13、当母线电压大于设定软启动电压阈值时，断开第二继电器，闭合第三继电器，通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定。

本发明解决其技术问题采用的又一技术方案是，构造一种不间断电源中母线电压软启动装置，包括正负母线、数字控制模块、功率转换单元、储能电感L1、软启动能量提供电路；所述功率转换单元的输出正极和输出负极分别与正母线和负母线相连，所述储能电感L1连接在所述软启动能量提供电路的输出正极和所述功率转换单元的第一输入端A之间，所述软启动能量提供电路的输出负极与功率转换单元的第二输入端B相连，其中，

所述软启动能量提供电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的第一端之间，所述直流源负极与功率转换单元的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的第一端，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的第一端之间，所述第一继电器、第二继电器、第三继电器在数字控制模块的控制下开启或闭合以向母线电容软启动充电。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述数字控制模块包括用于获取正负母线电压的电压采样单元，用于存储判断阈值和软启动电压阈值的存储单元，以及根据所述正负母线电压、判断阈值和软启动电压阈值控制所述第一继电器、第二继电器、第三继电器开启或断开的判断控制单元。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述功率转换单元包括：开关管Q1、Q2，电容C1、C2和二极管d1、d2、d3和d4，所述电容C1、C2串联后连接到正负母线，所述电容C1的正极与正母线相连，所述电容C2的负极与负母线相连，所述二极管d2的阴极与正母线相连、阳极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极连接到二极管d4的阴极，所述二级管d4的阳极与二极管d3的阴极相连，所述二极管d3的阳极连接到电容C2的负极，所述开关管Q1和Q2串联后连接到所述二极管d2的阳极和二极管d3的阴极之间，所述开关管Q1和Q2的连接中点C与电容C1、C2的连接中点D相连接，所述开关管Q1和Q2在数字控制模块的控制下导通和关闭。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述数字控制模块进一步包括用于控制储能电感L1储能放能过程的功率因数校正单元，及用于控制开关管Q1和Q2工作从而使母线电压按设定曲线上升的直流源放电控制单元。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，接到开机命令后，判断控制单元闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电；当所述正负母线电压值大于判断阈值时，判断控制单元判定第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，直流源放电控制单元控制开关管Q1和Q2工作以控制母线电压按照设定的曲线上升；当母线电压大于设定软启动电压阈值时，判断控制单元断开第二继电器，闭合第三继电器，功率因数校正单元通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述功率转换单元是PWM整流器。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述不间断电源系统是三相输入的不间断电源系统。

在本发明所述的不间断电源中母线电压软启动装置中，所述直流源是电池或是交直流变换器。

本发明的不间断电源中母线电压的软启动方法和装置，可在非隔离Boost型直流源放电拓扑中使用、并且控制逻辑简单成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的限流电阻加继电器组合方法示意图；

图2是现有技术的SCR触发角软启动方法示意图；

图3是现有技术的电池放电启动方法的示意图；

图4是本发明的母线电压软启动方法的一个实施例的流程图；

图5是本发明的母线电压软启动装置的原理框图；

图6是本发明的母线电压软启动装置的一个实施例的电路原理图；

图7是图6示出的本发明的母线电压软启动装置的电路原理图的母线启动过程示意图；

图8是本发明的母线电压软启动装置的又一个实施例的电路原理图；

图9是本发明的母线电压软启动装置的再一个实施例的电路原理图；

图10是本发明的母线电压软启动装置的另一个实施例的电路原理图；

图11是本发明的数字控制模块控制直流源放电的控制原理框图。

具体实施方式

本发明的发明原理是通过UPS系统数字控制单元对输入侧继电器及功率开关管的控制来实现母线电压软启动，最终为逆变器提供平稳的能量。本发明的一种不间断电源中母线电压软启动方法，包括以下步骤：S1、能量经功率转换后传输到正负母线上，向母线电容软启动充电；S2、充电结束后，市电能量进行功率转换后向逆变器供电，产生逆变电压输出；其中软启动所需能量由软启动能量提供电路提供，所述软启动能量提供电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的a端之间，所述直流源负极与功率转换单元的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的a端，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的a端，通过控制所述第一、第二和第三继电器开启或闭合以向母线电容软启动充电。

图4是本发明的母线电压软启动方法的一个实施例的流程图；在步骤S11闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电。在步骤S12，判断正负母线电压值是否大于判断阈值，当判定正负母线电压值大于判断阈值时，判断第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，通过控制开关管工作从而使母线电压按照设定的曲线上升；否则，继续执行步骤S11。在步骤S13，当判定母线电压大于设定软启动电压阈值时，断开第二继电器，闭合第三继电器，通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定，充电结束。充电结束后，市电能量进行功率转换后向逆变器供电，产生逆变电压输出。在本发明的一个实施例中，判断阀值，可以取0.475倍直流源电压或0.45倍直流源电压，软启动电压阈值可以取360V。在本发明的其它实施例中，可以按照需要来进行取值。

图5是本发明的母线电压软启动装置的原理框图。如图5所示的不间断电源中母线电压软启动装置，包括正负母线、数字控制模块100、功率转换单元200、储能电感L1、软启动能量提供电路300；所述功率转换单元200的输出正极和输出负极分别与正母线和负母线相连，所述储能电感L1连接在所述软启动能量提供电路300和所述功率转换单元200之间，所述软启动能量提供电路300包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的a端之间，所述直流源负极与功率转换单元200的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的a端，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的a端(参见附图6)，所述第一继电器、第二继电器、第三继电器在数字控制模块100的控制下开启或闭合以向母线电容软启动充电。所述数字控制模块100包括用于获取正负母线电压的电压采样单元101，用于存储判断阈值和软启动电压阈值的存储单元102，以及根据所述正负母线电压、判断阈值和软启动电压阈值控制所述第一继电器、第二继电器、第三继电器开启或断开的判断控制单元103，用于控制储能电感L1储能放能过程的功率因数校正单元104，及用于控制开关管工作从而使母线电压按设定曲线上升的直流源放电控制单元105。接到开机命令后，判断控制单元103闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电；当所述正负母线电压值大于判断阈值时，判断控制单元103判定第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，直流源放电控制单元105控制母线电压按照设定的曲线上升；当母线电压大于设定软启动电压阈值时，判断控制单元103断开第二继电器，闭合第三继电器，功率因数校正单元104通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定。

图6是本发明的母线电压软启动装置的一个实施例的电路原理图。如图6所示，在本实施例中，所述数字控制模块100、储能电感L1、软启动能量提供电路300如图5所示，所述功率转换单元200包括：开关管Q1、Q2，电容C1、C2和二极管d1、d2、d3和d4，所述电容C1、C2串联后连接到正负母线，所述电容C1的正极与正母线相连，所述电容C2的负极与负母线相连。所述二极管d2的阴极与正母线相连、阳极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极连接到二极管d4的阴极，所述二级管d4的阳极与二极管d3的阴极相连，所述二极管d3的阳极连接到电容C2的阴极。所述开关管Q1和Q2串联后连接到所述二极管d2的阳极和二极管d3的阴极之间，所述开关管Q1和Q2的连接中点C与电容C1、C2的连接中点D相连接，所述开关管Q1和Q2在数字控制模块100的控制下导通和关闭。所述直流源为电池，其工作过程如下：

1)数字控制模块得到开机命令后，闭合软启动继电器RLY1，电池通过软启动电阻R为母线电容充电，其过程对应图7中阶段1。

2)延时时间t后，总母线电容上的电压Vbus=Vbat(1-e^-t/τ)，其中τ=RC。此时，数字控制单元对正负母线电压值进行判断，若其均接近于二分之一电池电压(如取t＝4τ及0.45Vbat的判断阀值)，则认为该段软启动结束。然后闭合电池继电器RLY2，断开继电器RLY1，数字控制模块100驱动Q1、Q2开通关断，从而使母线电压按照给定的上升曲线Boost起来，其过程对应图7中阶段2；

3)当母线电压大于360V(设定的软启动电压阀值)后，断开电池继电器RLY2，闭合市电继电器RLY3，功率因数校正单元(PFC)开始工作，通过控制电感L1上的储能放能过程将母线电压从当前电压升到额定电压并稳定，为逆变器提供稳定的母线能量，其过程对应图7中阶段3。其中，软启动电压阈值和判断阀值分别可根据实际电路来设定。

图7是图6本发明的母线电压软启动装置的电路原理图的母线启动过程示意图。如图7所示，对于软启动阶段1，电池通过软启动电阻R为总母线充电，该软启动电阻R的功率可以减小为图1所示方案的二分之一。同时，软启动继电器RLY1流过的最大电流＝电池电压/电阻R，因此可以选用较小容量的软启动继电器RLY1；对于软启动阶段2，其工作过程与UPS系统正常电池放电过程完全一致，不需要增加任何硬件成本和软件资源，不同的仅仅是母线电压的给定是按软启动曲线慢慢增加的。该阶段电池放电的步骤是：数字控制模块可通过AD采样对正负母线电压和/或电感电流进行检测，然后根据设定的控制算法控制开关管Q1和Q2工作(控制框图见图11)，实现电池能量经过功率转换后按照设定的母线电压曲线来向母线电容转移；对于软启动阶段3，功率因数校正单元(PFC)的母线电压给定值由当前电压增加到额定值，此时，PFC通过控制电感L1上的储能放能过程为母线提供逆变器输出所需要的平稳能量。

此外，直流源还可以是系统中的其他直流源，比如为辅助电源供电的AC/DC电路的输出，其电路原理图可如图10所示。这样，在UPS系统没有挂接电池时仍可以完成母线电压的软启动。

图8是本发明的母线电压软启动装置的又一个实施例的电路原理图。如图8所示，本发明的母线电压软启动方法和装置可使用在三相输入电路中。

图9是本发明的母线电压软启动装置的再一个实施例的电路原理图。在图9所示的电路中，其功率转换单元为PWM整流器，电池与该整流器共用输入PFC电感和功率开关管，实现向母线传递能量的功率转换功能。

综上所述，本发明所提出的UPS母线电压软启动方案及装置的特点为：

软启动首先由电池或一个直流源开始，软启动过程所需能量主要由直流源(可以是电池或是AC/DC电路、DC/DC转换电路等)提供，软启动过程由数字控制模块控制；

软启动过程分为三段，分别为RC不控软启阶段、直流源放电软启阶段、PFC工作软启阶段，三段式软启动保证母线电压平稳上升；

软启动电阻R功率低，软启动继电器RLY1小，节省了成本。换言之，为了解决电池直接Boost型UPS拓扑的母线软启动问题增加的成本较小；

可以根据需要灵活设计软启动曲线，达到满意的软启动特性，减小对母线电容的冲击，提高了可靠性；电池软启动过程与UPS系统电池放电为逆变器提供能量过程可以共用算法和控制逻辑，无须额外增加控制算法和逻辑，从而节约了控制器资源，简化了系统逻辑。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种不间断电源中母线电压软启动方法，包括以下步骤：

S1、能量经功率转换单元进行功率转换后传输到正负母线上，向母线电容软启动充电；

S2、充电结束后，市电能量经功率转换单元进行功率转换后向逆变器供电，产生逆变电压输出；其特征在于，

软启动所需能量由软启动能量提供电路提供，其中，所述软启动能量提供电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的第一端(a)之间，所述直流源负极与功率转换单元的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的第一端(a)，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的第一端(a)，

通过控制所述第一、第二和第三继电器开启或闭合以向母线电容软启动充电。

2.根据权利要求1所述的不间断电源中母线电压软启动方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

S11、闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电，

S12、当正负母线电压值大于判断阈值时，判断第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，通过控制开关管工作从而使母线电压按照设定的曲线上升；

S13、当母线电压大于设定软启动电压阈值时，断开第二继电器，闭合第三继电器，通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定。

3.一种不间断电源中母线电压软启动装置，包括正负母线、数字控制模块(100)、功率转换单元(200)、储能电感L1、软启动能量提供电路(300)；所述功率转换单元(200)的输出正极和输出负极分别与正母线和负母线相连，所述储能电感L1连接在所述软启动能量提供电路(300)的输出正极和所述功率转换单元(200)的第一输入端A之间，所述软启动能量提供电路(300)的输出负极与功率转换单元(200)的第二输入端B相连，其特征在于，

所述软启动能量提供电路(300)包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、电阻R和直流源，所述第三继电器连接在市电输入端L和储能电感L1的第一端(a)之间，所述直流源负极与功率转换单元(200)的第二输入端B相连、正极经第二继电器连接到所述储能电感L1的第一端(a)，第一继电器与电阻R串联后连接到直流源正极和储能电感L1的第一端(a)之间，所述第一继电器、第二继电器、第三继电器在数字控制模块(100)的控制下开启或闭合以向母线电容软启动充电。

4.根据权利要求3所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述数字控制模块(100)包括用于获取正负母线电压的电压采样单元(101)，用于存储判断阈值和软启动电压阈值的存储单元(102)，以及根据所述正负母线电压、判断阈值和软启动电压阈值控制所述第一继电器、第二继电器、第三继电器开启或断开的判断控制单元(103)。

5.根据权利要求3所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述功率转换单元(200)包括：开关管Q1、Q2，电容C1、C2和二极管d1、d2、d3和d4，所述电容C1的正极与正母线相连，所述电容C2的负极与负母线相连，所述电容C1的负极和电容C2的正极相连，所述二极管d2的阴极与正母线相连、阳极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极连接到二极管d4的阴极，所述二级管d4的阳极与二极管d3的阴极相连，所述二极管d3的阳极连接到电容C2的负极，所述开关管Q1和Q2串联后连接到所述二极管d2的阳极和二极管d3的阴极之间，所述开关管Q1和Q2的连接中点C与电容C1、C2的连接中点D相连接，所述开关管Q1和Q2在数字控制模块(100)的控制下导通和关闭。

6.根据权利要求5所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述数字控制模块(100)进一步包括用于控制储能电感L1储能放能过程的功率因数校正单元(104)，及用于控制开关管Q1和Q2工作从而使母线电压按设定曲线上升的直流源放电控制单元(105)。

7.根据权利要求6所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，接到开机命令后，判断控制单元(103)闭合第一继电器，直流源经电阻R为母线电容充电；当所述正负母线电压值大于判断阈值时，判断控制单元(103)判定第一阶段软启动结束，闭合第二继电器，断开第一继电器，直流源放电控制单元(105)控制开关管Q1和Q2工作以控制母线电压按照设定的曲线上升；当母线电压大于设定软启动电压阈值时，判断控制单元(103)断开第二继电器，闭合第三继电器，功率因数校正单元(104)通过控制储能电感L1上的储能释放将母线电压升到额定电压并稳定。

8.根据权利要求5所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述功率转换单元(200)是PWM整流器。

9.根据权利要求3-8中任一权利要求所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述不间断电源系统是三相输入的不间断电源系统。

10.根据权利要求3-8中任一权利要求所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征在于，所述直流源是电池或是交直流变换器。

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