CN104660025B - 不间断电源的母线电压软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不间断电源的母线电压软启动方法，所述不间断电源包括旁路双向开关管和逆变双向开关管，包括下列步骤：当所述不间断电源不具有旁路输出时，在所述旁路交流电源的正半周期内，控制所述旁路双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°，在所述旁路交流电源的负半周期内，控制所述旁路双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°；当所述不间断电源具有旁路输出时，在所述旁路交流电源的正半周期内，控制所述逆变双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°，在所述旁路交流电源的负半周期内，控制所述逆变双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°。本发明利用逆变双向开关管和旁路双向开关管实现了不间断电源的母线电压软启动。

Description

不间断电源的母线电压软启动方法

技术领域

本发明涉及不间断电源，具体涉及一种不间断电源的母线电压软启动方法。

背景技术

目前，随着用电设备研发技术的不断进步，对供电品质的要求也越来越高，不断电供电装置由于能够持续的对用电设备进行供电，能够给用电设备提供一个安全、稳定和持续供电的保障，其用途十分广泛，已经成为人们研究的热点。

在不间断电源开始启动工作时，为了防止冲击电流过大对电路造成损坏，需要对不间断电源中的母线电压软启动，即对母线上的电容进行缓慢充电。

图1是现有技术中的不间断电源的电路图。如图1所示，不间断电源包括功率因素校正电路3、I型三电平逆变器、电感L、滤波电容C、逆变双向开关管S1、旁路双向开关管S2、逆变继电器R1和输出继电器R2。功率因素校正电路3包括晶闸管X1、晶闸管X2、电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、具有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管Q1和绝缘栅双极型晶体管Q2，电容C1的一端和二极管D1的阴极连接至正母线1上，电容C2和二极管D2的阳极连接至负母线2上。在交流电源Vi的正半周期内，通过控制晶闸管X1的导通角从180°逐渐地减小至90°，从而对与正母线1连接的电容C1逐渐地充电，在交流电源Vi的负半周期内，通过控制晶闸管X2的导通角从360°逐渐地减小至270°，从而对与负母线2连接的电容C2逐渐地充电。通过图1中的功率因素校正电路3实现不间断电源的母线电压软启动。

目前，不间断电源中常用的功率因素校正电路与图1中的功率因素校正电路类似，区别是采用二个二极管分别代替图1中的晶闸管X1和晶闸管X2，但是该功率因素校正电路不能对不间断电源的母线电压进行软启动，从而使得该功率因素校正电路的使用受到了限制。在这种情况下，只能采取限流电阻加继电器组合软启动或直流源放电软启动方法。因此，如何在不增加元器件的情况下对不间断电源的母线电压实现软启动成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种不间断电源的母线电压软启动方法，不间断电源包括：

正母线和负母线；

第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联后电连接至所述正母线和负母线之间，所述第一电容和第二电容的节点接地；

I型三电平逆变器，所述I型三电平逆变器包括：

具有反向并联的第一二极管的第一半导体开关；

具有反向并联的第二二极管的第二半导体开关；

具有反向并联的第三二极管的第三半导体开关；

具有反向并联的第四二极管的第四半导体开关；

第五二极管和第六二极管，所述第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关依次串联后电连接至所述正母线和负母线之间，第五二极管的阴极与所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极电连接，所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阳极和第四二极管的阴极电连接，所述第五二极管的阳极和第六二极管的阴极电连接并接地；

电感，所述电感的一端和所述第二二极管的阳极电连接；

滤波电容，所述滤波电容的两端分别电连接至所述电感的另一端和地之间；

逆变双向开关管，所述逆变双向开关管的一端电连接至所述电感的另一端；

旁路双向开关管，所述旁路双向开关管的一端和所述逆变双向开关管的另一端电连接，所述旁路双向开关管的另一端电连接至旁路交流电源；

逆变继电器，所述逆变继电器择一地与所述逆变双向开关管或旁路双向开关管并联；

输出继电器，所述输出继电器的一端和所述逆变双向开关管的另一端电连接；

所述不间断电源的母线电压软启动方法包括下列步骤：

（a）当所述不间断电源不具有旁路输出时，使得所述输出继电器截止，所述逆变继电器与所述逆变双向开关管并联，在所述旁路交流电源的正半周期内，使得所述第三半导体开关和第四半导体开关截止，同时控制所述旁路双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°从而对所述第一电容逐渐地充电；

（b）当所述不间断电源不具有旁路输出时，使得所述输出继电器截止，所述逆变继电器与所述逆变双向开关管并联，在所述旁路交流电源的负半周期内，使得所述第一半导体开关和第二半导体开关截止，同时控制所述旁路双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°从而对所述第二电容逐渐地充电；或

（c）当所述不间断电源具有旁路输出时，使得所述输出继电器导通，且使得所述逆变继电器与所述旁路双向开关管并联，在所述旁路交流电源的正半周期内，使得所述第三半导体开关和第四半导体开关截止，同时控制所述逆变双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°从而对所述第一电容逐渐地充电；

（d）当所述不间断电源具有旁路输出时，使得所述输出继电器导通，且使得所述逆变继电器与所述旁路双向开关管并联，在所述旁路交流电源的负半周期内，使得所述第一半导体开关和第二半导体开关截止，同时控制所述逆变双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°从而对所述第二电容逐渐地充电。

优选的，在所述步骤（a）或（c）中，还包括使得所述第一半导体开关、第二半导体开关和第四半导体开关截止；在所述步骤（b）或（d）中，还包括使得所述第一半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关截止。

优选的，在所述步骤（a）中，当所述第一电容的电压达到所述旁路交流电源的正峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第二半导体开关、第四半导体开关和旁路双向开关管截止，并控制所述第三半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第一电容充电。

优选的，在所述步骤（b）中，当所述第二电容的电压达到所述旁路交流电源的负峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关和旁路双向开关管截止，并控制所述第二半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第二电容充电。

优选的，在所述步骤（c）中，当所述第一电容的电压达到所述旁路交流电源的正峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第二半导体开关、第四半导体开关和逆变双向开关管截止，并控制所述第三半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第一电容充电。

优选的，在所述步骤（d）中，当所述第二电容的电压达到所述旁路交流电源的负峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关和逆变双向开关管截止，并控制所述第二半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第二电容充电。

优选的，在所述步骤（a）和/或步骤（b）中，使得所述逆变双向开关管截止；或在所述步骤（c）和/或步骤（d）中，使得所述旁路双向开关管截止。

优选的，所述逆变双向开关管为逆变静态开关或逆变双向晶闸管，所述旁路双向开关管为旁路静态开关或旁路双向晶闸管。

优选的，所述第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

本发明利用不间断电源中的逆变双向开关管和旁路双向开关管实现了不间断电源的母线电压软启动，节省了元器件，降低了成本。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是现有技术中的不间断电源的电路图。

图2是实现本发明的不间断电源的母线电压软启动方法的电路图。

图3是图2所示的不间断电源不具有旁路输出时在旁路交流电源的正半周期的等效电路图。

图4是滤波电容对第一电容进行充电的等效电路图。

图5是图2所示的不间断电源不具有旁路输出时在旁路交流电源的负半周期的等效电路图。

图6是滤波电容对第二电容进行充电的等效电路图。

图7是图2所示的不间断电源具有旁路输出时在旁路交流电源的正半周期的等效电路图。

图8是滤波电容对第一电容进行充电的等效电路图。

图9是图2所示的不间断电源具有旁路输出时在旁路交流电源的负半周期的等效电路图。

图10是滤波电容对第二电容进行充电的等效电路图。

主要装置符号说明

1 正母线

2 负母线

3 功率因数校正电路

4 I型三电平逆变器

L1、L2、L 电感

X1、X2 晶闸管

Q1-Q6 绝缘栅双极型晶体管

C1、C2 电容

C 滤波电容

D1-D8 二极管

R1 逆变继电器

R2 输出继电器

S1 逆变双向开关管

S2 旁路双向开关管

Vi 交流电源

Vi′ 旁路交流电源

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图2是实现本发明的不间断电源的母线电压软启动方法的电路图。本发明的不间断电源的母线电压软启动方法是基于图1所示的不间断电源的一部分电路实现的。包括正母线1、负母线2、电容C1、电容C2、I型三电平逆变器4、电感L、滤波电容C、逆变双向开关管S1、旁路双向开关管S2、逆变继电器R1和输出继电器R2。电容C1的一端连接在正母线1上，另一端接地，电容C2的一端接地，另一端连接在负母线上。I型三电平逆变器4包括具有反向并联二极管D3的绝缘栅双极型晶体管Q3、具有反向并联二极管D4的绝缘栅双极型晶体管Q4、具有反向并联二极管D5的绝缘栅双极型晶体管Q5、具有反向并联二极管D6的绝缘栅双极型晶体管Q6、二极管D7和二极管D8。绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5和绝缘栅双极型晶体管Q6依次串联后连接在正母线1和负母线2之间呈I型，即绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极与正母线1连接，绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极与绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极连接，绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极与绝缘栅双极型晶体管Q5的集电极连接，绝缘栅双极型晶体管Q5的发射极与绝缘栅双极型晶体管Q6的集电极连接，绝缘栅双极型晶体管Q6的发射极与负母线2连接，二极管D7的阴极和绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极连接，二极管D8的阳极和绝缘栅双极型晶体管Q5的发射极连接，二极管D7的阳极和二极管D8的阴极连接并接地。电感L的一端和绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极连接，电感L的另一端和滤波电容C的一端连接，滤波电容C的另一端接地。逆变双向开关管S1的一端和电感L的另一端连接，逆变双向开关管S1的另一端和旁路双向开关管S2的一端连接，旁路双向开关管S2的另一端连接至旁路交流电源Vi′，逆变继电器R1择一地与逆变双向开关管S1或旁路双向开关管S2并联，即逆变继电器R1择一地将逆变双向开关管S1或旁路双向开关管S2短路，旁路继电器R2的一端和逆变双向开关管S1的另一端连接，旁路继电器R2的另一端和地线作为旁路输出端。

图3是图2所示的不间断电源不具有旁路输出时在旁路交流电源的正半周期的等效电路图。逆变继电器R1与逆变双向开关管S1并联从而将逆变双向开关管S1短路，旁路继电器R2断开，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5和绝缘栅双极型晶体管Q6截止。通过控制旁路双向开关管S2的导通角从180°逐渐地减小至90°，从而电容C1和滤波电容C逐渐地充电，最终使得电容C1和滤波电容C上的电压等于或接近旁路交流电源Vi′的正峰值电压。

之后，控制绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4和绝缘栅双极型晶体管Q6截止，并控制绝缘栅双极型晶体管Q5以脉冲宽度调制方式工作，图4是滤波电容对第一电容进行充电的等效电路图。滤波电容C、电感L、二极管D4、二极管D3、绝缘栅双极型晶体管Q5、二极管D8和电容C1构成boost电路，滤波电容C放电并对电容C1进一步充电。

在本发明的其他实施例中，在通过控制旁路双向开关管S2的导通角对电容C1进行缓慢充电过程中，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4或绝缘栅双极型晶体管Q6中的一个或多个可以处于导通状态，优选处于截止状态。

图5是图2所示的不间断电源不具有旁路输出时在旁路交流电源的负半周期的等效电路图。逆变继电器R1与逆变双向开关管S1并联从而将逆变双向开关管S1短路，旁路继电器R2断开，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5和绝缘栅双极型晶体管Q6截止。通过控制旁路双向开关管S2的导通角从360°逐渐地减小至270°，从而对电容C2和滤波电容C逐渐地充电，最终使得电容C2和滤波电容C上的电压等于或接近旁路交流电源Vi′的负峰值电压。

之后，控制绝缘栅双极型晶体管Q3、控制绝缘栅双极型晶体管Q5和控制绝缘栅双极型晶体管Q6截止，并控制绝缘栅双极型晶体管Q4以脉冲宽度调制方式工作，图6是滤波电容对第二电容进行充电的等效电路图，滤波电容C、电感L、二极管D5、二极管D6、绝缘栅双极型晶体管Q4、二极管D7和电容C2构成boost电路，滤波电容C放电并对电容C2进一步充电。不间断电源的母线电压软启动完成。

在本发明的其他实施例中，在通过控制旁路双向开关管S2的导通角对电容C2进行缓慢充电过程中，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q5或绝缘栅双极型晶体管Q6中的一个或多个可以处于导通状态，优选处于截止状态。

图7是图2所示的不间断电源具有旁路输出时在旁路交流电源的正半周期的等效电路图。逆变继电器R1和旁路双向开关管S2并联从而将旁路双向开关管S2短路，旁路继电器R2导通，旁路交流电源Vi′通过逆变继电器R1和旁路继电器R2对旁路输出提供电能。绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5和绝缘栅双极型晶体管Q6截止。通过控制逆变双向开关管S1的导通角从180°逐渐地减小至90°，从而对电容C1和滤波电容C逐渐地充电，最终使得电容C1和滤波电容C上的电压等于或接近旁路交流电源Vi′的正峰值电压。

之后，控制绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4和绝缘栅双极型晶体管Q6截止，并控制绝缘栅双极型晶体管Q5以脉冲宽度调制方式工作，图8是滤波电容C对第一电容C1进行充电的等效电路图，其与图4完全相同。滤波电容C、电感L、二极管D4、二极管D3、绝缘栅双极型晶体管Q5、二极管D8和电容C1构成boost电路，滤波电容C放电并对电容C1进一步充电。

在本发明的其他实施例中，在通过控制逆变双向开关管S1的导通角对电容C1进行缓慢充电过程中，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4或绝缘栅双极型晶体管Q6中的一个或多个可以处于导通状态，优选处于截止状态。

图9是图2所示的不间断电源具有旁路输出时在旁路交流电源的负半周期的等效电路图。逆变继电器R1和旁路双向开关管S2并联从而将旁路双向开关管S2短路，旁路继电器R2导通，旁路交流电源Vi′通过逆变继电器R1和旁路继电器R2对旁路输出提供电能。绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5和绝缘栅双极型晶体管Q6截止。通过控制逆变双向开关管S1的导通角从360°逐渐地减小至270°，从而对电容C2和滤波电容C逐渐地充电，最终使得电容C2和滤波电容C上的电压等于或接近旁路交流电源Vi′的负峰值电压。

之后，控制绝缘栅双极型晶体管Q3、控制绝缘栅双极型晶体管Q5和控制绝缘栅双极型晶体管Q6截止，并控制绝缘栅双极型晶体管Q4以脉冲宽度调制方式工作，图10是滤波电容对第二电容进行充电的等效电路图。滤波电容C、电感L、二极管D5、二极管D6、绝缘栅双极型晶体管Q4、二极管D7和电容C2构成boost电路，滤波电容C放电并对电容C2进一步充电。不间断电源的母线电压软启动完成。

在本发明的其他实施例中，在通过控制逆变双向开关管S1的导通角对电容C2进行缓慢充电过程中，绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q5或绝缘栅双极型晶体管Q6中的一个或多个可以处于导通状态，优选处于截止状态。

在本发明的实施例中，双向开关管是静态开关，本领域的技术人员可以理解，本发明中的双向开关管可以是双向晶闸管。在本发明的其他实施例中，可以采用金氧半场效晶体管代替上述实施例中的绝缘栅双极型晶体管。本发明中的旁路交流电源Vi′和交流电源Vi可以由同一个市电来提供所需的交流电，也可以通过不同的市电来提供交流电。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (9)

1.一种不间断电源的母线电压软启动方法，所述不间断电源包括：

正母线和负母线；

第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联后电连接至所述正母线和负母线之间，所述第一电容和第二电容的节点接地；

I型三电平逆变器，所述I型三电平逆变器包括：

具有反向并联的第一二极管的第一半导体开关；

具有反向并联的第二二极管的第二半导体开关；

具有反向并联的第三二极管的第三半导体开关；

具有反向并联的第四二极管的第四半导体开关；

第五二极管和第六二极管，所述第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关依次串联后电连接至所述正母线和负母线之间，第五二极管的阴极与所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极电连接，所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阳极和第四二极管的阴极电连接，所述第五二极管的阳极和第六二极管的阴极电连接并接地；

电感，所述电感的一端和所述第二二极管的阳极电连接；

滤波电容，所述滤波电容的两端分别电连接至所述电感的另一端和地之间；

逆变双向开关管，所述逆变双向开关管的一端电连接至所述电感的另一端；

旁路双向开关管，所述旁路双向开关管的一端和所述逆变双向开关管的另一端电连接，所述旁路双向开关管的另一端电连接至旁路交流电源；

逆变继电器，所述逆变继电器择一地与所述逆变双向开关管或旁路双向开关管并联；

输出继电器，所述输出继电器的一端和所述逆变双向开关管的另一端电连接；

其特征在于，所述不间断电源的母线电压软启动方法包括下列步骤：

（a）当所述不间断电源不具有旁路输出时，使得所述输出继电器截止，且使得所述逆变继电器与所述逆变双向开关管并联，在所述旁路交流电源的正半周期内，使得所述第三半导体开关截止，同时控制所述旁路双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°从而对所述第一电容逐渐地充电；

（b）当所述不间断电源不具有旁路输出时，使得所述输出继电器截止，且使得所述逆变继电器与所述逆变双向开关管并联，在所述旁路交流电源的负半周期内，使得所述第二半导体开关截止，同时控制所述旁路双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°从而对所述第二电容逐渐地充电；或

（c）当所述不间断电源具有旁路输出时，使得所述输出继电器导通，且使得所述逆变继电器与所述旁路双向开关管并联，在所述旁路交流电源的正半周期内，使得所述第三半导体开关截止，同时控制所述逆变双向开关管的导通角从180°逐渐地减小至90°从而对所述第一电容逐渐地充电；

（d）当所述不间断电源具有旁路输出时，使得所述输出继电器导通，且使得所述逆变继电器与所述旁路双向开关管并联，在所述旁路交流电源的负半周期内，使得所述第二半导体开关截止，同时控制所述逆变双向开关管的导通角从360°逐渐地减小至270°从而对所述第二电容逐渐地充电。

2.根据权利要求1所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，

在所述步骤（a）或（c）中，还包括使得所述第一半导体开关、第二半导体开关和第四半导体开关截止；

在所述步骤（b）或（d）中，还包括使得所述第一半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关截止。

3.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，在所述步骤（a）中，当所述第一电容的电压达到所述旁路交流电源的正峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第二半导体开关、第四半导体开关和旁路双向开关管截止，并控制所述第三半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第一电容充电。

4.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，在所述步骤（b）中，当所述第二电容的电压达到所述旁路交流电源的负峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关和旁路双向开关管截止，并控制所述第二半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第二电容充电。

5.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，在所述步骤（c）中，当所述第一电容的电压达到所述旁路交流电源的正峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第二半导体开关、第四半导体开关和逆变双向开关管截止，并控制所述第三半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第一电容充电。

6.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，在所述步骤（d）中，当所述第二电容的电压达到所述旁路交流电源的负峰值电压后，还包括控制所述第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关和逆变双向开关管截止，并控制所述第二半导体开关以脉宽调制方式工作使得所述滤波电容放电并对所述第二电容充电。

7.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，

在所述步骤（a）和/或步骤（b）中，使得所述逆变双向开关管截止；或

在所述步骤（c）和/或步骤（d）中，使得所述旁路双向开关管截止。

8.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，所述逆变双向开关管为逆变静态开关或逆变双向晶闸管，所述旁路双向开关管为旁路静态开关或旁路双向晶闸管。

9.根据权利要求1或2所述的不间断电源的母线电压软启动方法，其特征在于，所述第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关和第四半导体开关为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。