CN106655470B - 一种不间断电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不间断电源，包括储能单元、市电输入、预防掉电单元、充电单元和三桥臂拓扑电路；所述储能单元和市电输入分别经充电单元和预防掉电单元与三桥拓臂扑电路电连；所述储能单元经第一输入切换开关与所述充电单元电连，所述市电输入经第二输入切换开关与预防掉电单元电连，所述三桥臂拓扑电路输出端连接一负载；还包括用于测量市电输入电压的第一电压相位检测模块和用于测量输入至负载电压的第二电压相位检测单元，所述第一电压相位检测单元和第二电压相位检测单元经一相差判断单元与一控制单元电连。本发明可以实现储能单元和市电输入切换供电，通过检测市电输入和输入至负载的电压相位情况，从而保证负载的稳定工作，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，特别涉及一种不间断电源及其控制方法。
背景技术
目前，如图1-6所示，传统的三桥臂拓扑电路中， L1为PFC电感，L2为逆变电感，第一开关器件Q1和第二开关器件Q2为第一桥臂，第三开关器件Q3和第四开关器件Q4为第二桥臂，第五开关器件Q5和第六开关器件Q6为第三桥臂。其中，第二桥臂为复用臂。第一桥臂与第二桥臂构成交流到直流变换的PFC升压功能，第二桥臂与第三桥臂构成直流到交流变换的逆变功能。
图1为交流输入、输出同为正半波时，PFC电感和逆变电感储能通路，图2为交流输入、输出同为正半波时，PFC电感和逆变电感续流通路；图3为当交流输入、输出同为负半波时，PFC电感和逆变电感储能通路；图4为当交流输入、输出同为负半波时，PFC电感和逆变电感续流通路。
三桥臂拓扑的第二桥臂作为复用臂，为前级升压以及后级逆变提供公共回路。在输入、输出同相位情况下，流经第二桥臂的电流为前级电感电流与后级电感电流之差。因此器件损耗也小，系统效率高。
但是在实际应用中，如果交流输入与输出存在一定相差，在相位差期间，将出现不同于上述描述的功率回路，导致母线电压过压问题。
在交流输入为正半周期、而输出为负半周期期间，第一桥臂的Q2做高频动作。当Q2关断时，因为后级处于逆变负半周期，第二桥臂的Q3导通。此时将形成异常的功率回路(如图5路径P2)，图5为交流输入、输出失同步时正半波PFC电感电流续流回路。
原本PFC电感电流应该给电容C1充电，但是Q3此时导通，结果导致PFC电感进一步储能，当Q3关断时，PFC电感电流才流向电容C1。
图6 为交流输入输出失同步时负波PFC电感电流续流回路，在交流输入负半波时，Q1断开。负半波时同理，PFC电感续流回路被Q4截断，由原本的续流变成储能。
由此分析可知，在交流输入、输出不同相位时，第二桥臂驱动如果控制不合理，极易导致PFC电感过度储能引起母线电解过压，甚至导致PFC电感饱和，进而引起开关管过流损坏。这也是三桥臂拓扑实际应用的风险点所在。
当输入和输出电压不同相时，PFC电流与逆变电流相位不相同时，中间臂的驱动控制如果跟随逆变，则PFC电流谐波就会增大；反之，如果跟随PFC，则逆变电流谐波就会增大；此情况下极易导致中间臂的开关管电流失控而引起损坏，存在输出掉电隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不间断电源及其控制方法，防止掉电，可靠性高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种不间断电源，包括一储能单元、一市电输入、一预防掉电单元、一充电单元和一三桥臂拓扑电路；所述储能单元和市电输入分别经充电单元和预防掉电单元与三桥拓臂扑电路电连；所述储能单元经第一输入切换开关与所述充电单元电连，所述市电输入经第二输入切换开关与预防掉电单元电连，所述三桥臂拓扑电路输出端连接一负载；还包括用于测量市电输入电压的第一电压相位检测模块和用于测量输入至负载电压的第二电压相位检测单元，所述第一电压相位检测单元和第二电压相位检测单元经一相差判断单元与一控制单元电连，所述控制单元与所述第一输入切换开关、第二输入切换开关、充电单元、预防掉电单元和三桥臂拓扑电路电连。
进一步的，所述三桥臂拓扑包括相互并联的第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，其中第二桥臂由第三开关器件和第四开关器件组成，第三桥臂由第五开关器件和第六开关器件组成，第四桥臂由第七开关器件和第八开关器件组成，第二、第三和第四桥臂均并联接在BUS正母线和BUS负母线之间，BUS正母线和BUS负母线之间还并联有第一电容。
进一步的，所述预防掉电单元由第一单向导电器件和第二单向导电器件反向并联组成，所述预防掉电单元的一端与第二输入切换开关电连，另一端经一第二电感连接至第二桥臂的中点。
进一步的，所述市电输入的火线与第二输入切换开关电连，市电输入的零线连接至第三桥臂的中点。
进一步的，所述充电单元包括第一电感以及由第一开关器件和第二开关器件组成的第一桥臂，所述第一电感的输入端与第一输入切换开关连接，第一电感的输出端连接至第一桥臂的中点，所述第一桥臂并联于BUS正母线和BUS负母线之间。
进一步的，所述储能单元正输出端与第一输入切换开关电连，储能单元的负输出端与BUS负母线连接。
进一步的，所述负载的正输入经一第三电感连接至第四桥臂的中点，负载的负输入端连接至第三桥臂的中点，负载的正输入端和负输入端之间还并联有一第二电容，所述第二电容的输入端与第三电感的输出端连接。
本发明还提供一种根据上述所述的不间断电源的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过第一电压相位检测单元实时检测市电输入电压相位θ1，通过第二电压相位检测单元实时检测输入负载的电压相位θ2，并将市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位θ2输入至相差检测单元；
步骤S2：通过相差检测单元得到市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位θ2的相位差Δθ，其中；
步骤S3：若步骤S2中Δθ＜90°，则通过控制单元控制第一输入切换开关保持断开状态，第二输入切换开关保持导通状态，三桥臂拓扑电路处于市电逆变工作状态，即此时市电输入连接至三桥臂拓扑电路；若90°≤Δθ＜180°，则转入步骤S4；
步骤S4：通过控制单元控制第二输入切换开关和预防掉电单元处于断开状态，第一输入切换开关处于导通状态，三桥臂拓扑电路处于电池逆变工作状态，即此时三桥臂拓扑电路的输入由市电输入切换至储能单元输入。
进一步的，在所述步骤S4中，控制第一电感先处于储能状态，后处于续流状态；当第一电感处于储能状态时，控制单元控制第一开关器件处于断开状态，第二开关器件处于导通状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第二开关器件形成的回路；当第一电感处于续流状态时，控制单元控制第一开关器件处于导通状态，第二开关器件处于断开状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第一开关器件、第一电容形成的回路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明保留了三桥臂拓扑电路利用率高、效率高、损耗小的优势。三桥臂拓扑电路由于输入输出电压失同步容易掉电，可能造成负载设备不正常工作或不工作的情况。针对此种情况，当负载为精密负载时，可能造成的掉电会产生不可估量的损失。本发明提供的一种不间断电源，当市电输入和三桥臂拓扑电路的输出错相较大时，利用预防掉电单元快速控制断开交流输入回路，阻断异常功率回路。当失同步相差较大时，由市电逆变快速切换至电池逆变工作状态，电池逆变工作状态即采用储能单元进行供电，保证了输出不掉电。因此，相对于精密负载来讲，极大保证失同步条件下的稳定运行，最大程度上保证其经济效益。
附图说明
图1为现有技术中的交流输入、输出同为正半波时，PFC电感和逆变电感储能通路。
图2为现有技术中的交流输入、输出同为正半波时，PFC电感和逆变电感续流通路。
图3为现有技术中的当交流输入、输出同为负半波时，PFC电感和逆变电感储能通路。
图4为现有技术中的当交流输入、输出同为负半波时，PFC电感和逆变电感续流通路。
图5为现有技术中的交流输入、输出失同步时正半波PFC电感电流续流回路。
图6为现有技术中的交流输入输出失同步时负波PFC电感电流续流回路。
图7为本发明实施例提供的不间断电源的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图7所示，本发明实施例提供一种不间断电源，包括一储能单元、一市电输入、一预防掉电单元、一充电单元和一三桥臂拓扑电路；所述储能单元和市电输入分别经充电单元和预防掉电单元与三桥拓臂扑电路电连；所述储能单元经第一输入切换开关K1与所述充电单元电连，所述市电输入经第二输入切换开关K2与预防掉电单元电连，所述三桥臂拓扑电路输出端连接一负载；还包括用于测量市电输入电压的第一电压相位检测模块和用于测量输入至负载电压的第二电压相位检测单元，所述第一电压相位检测单元和第二电压相位检测单元经一相差判断单元与一控制单元电连，所述控制单元与所述第一输入切换开关、第二输入切换开关、充电单元、预防掉电单元和三桥臂拓扑电路电连。
从上述可知，本发明的有益效果在于：通过储能单元和市电输入经三桥臂拓扑电路与负载连接，通过第一输入切换开关K1和第二输入切换开关K2实现储能单元和市电输入切换供电，通过第一、第二电压相位检测单元检测市电输入和输入至负载的电压相位情况，保证三桥臂拓扑电路输出不掉电，从而保证负载的稳定工作，可靠性高。
在本实施例中，所述三桥臂拓扑包括相互并联的第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，其中第二桥臂由第三开关器件Q3和第四开关器件Q4组成，第三桥臂由第五开关器件Q5和第六开关器件Q6组成，第四桥臂由第七开关器件Q7和第八开关器件Q8组成，第二、第三和第四桥臂均并联接在BUS正母线和BUS负母线之间，BUS正母线和BUS负母线之间还并联有第一电容C1。
在本实施例中，所述预防掉电单元由第一单向导电器件S1和第二单向导电器件S2反向并联组成，所述预防掉电单元的一端与第二输入切换开关K2电连，另一端经一第二电感L2连接至第二桥臂的中点B。其中S1和S2为可快速通断的单向导电器件，如二极管。
在本实施例中，所述市电输入的火线L-in与第二输入切换开关K2电连，市电输入的零线N-in连接至第三桥臂的中点C。
在本实施例中，所述充电单元包括第一电感L1以及由第一开关器件Q1和第二开关器件Q2组成的第一桥臂，所述第一电感L1的输入端与第一输入切换开关K2连接，第一电感L1的输出端连接至第一桥臂的中点A，所述第一桥臂并联于BUS正母线和BUS负母线之间。
在本实施例中，所述储能单元正输出端与第一输入切换开关K1电连，储能单元的负输出端与BUS负母线连接。所述储能单元由若干蓄电池或干电池串联构成。
在本实施例中，所述负载的正输入经一第三电感L3连接至第四桥臂的中点D，负载的负输入端连接至第三桥臂的中点C，负载的正输入端和负输入端之间还并联有一第二电容C2，所述第二电容C2的输入端与第三电感L3的输入端连接。
本发明还提供一种根据上述所述的不间断电源的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过第一电压相位检测单元实时检测市电输入电压相位θ1，通过第二电压相位检测单元实时检测输入负载的电压相位θ2，并将市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位θ2输入至相差检测单元；
步骤S2：通过相差检测单元得到市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位θ2的相位差Δθ，其中；
步骤S3：若步骤S2中Δθ＜90°，则通过控制单元控制第一输入切换开关保持断开状态，第二输入切换开关保持导通状态，三桥臂拓扑电路处于市电逆变工作状态，即此时市电输入连接至三桥臂拓扑电路；若90°≤Δθ＜180°，则转入步骤S4；
步骤S4：通过控制单元控制第二输入切换开关和预防掉电单元处于断开状态，第一输入切换开关处于导通状态，三桥臂拓扑电路处于电池逆变工作状态，即此时三桥臂拓扑电路的输入由市电输入切换至储能单元输入。
在本实施例中，在所述步骤S4中，控制第一电感先处于储能状态，后处于续流状态；当第一电感处于储能状态时，控制单元控制第一开关器件处于断开状态，第二开关器件处于导通状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第二开关器件形成的回路；当第一电感处于续流状态时，控制单元控制第一开关器件处于导通状态，第二开关器件处于断开状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第一开关器件、第一电容形成的回路。
在步骤S3和S4中，市电逆变工作状态即为市电输入供电的工作状态，电池逆变工作状态即为储能单元供电的工作状态，根据相位差Δθ的变化，实现储能单元和市电输入的切换，保证负载供电温度，不掉电，可靠性高。
综上所述，本发明提供的一种不间断电源及其控制方法，可以实现储能单元和市电输入切换供电，通过检测市电输入和输入至负载的电压相位情况，从而保证负载的稳定工作，可靠性高。
Claims (9)
1.一种不间断电源，其特征在于，包括一储能单元、一市电输入、一预防掉电单元、一充电单元和一三桥臂拓扑电路；所述储能单元和市电输入分别经充电单元和预防掉电单元与三桥拓臂扑电路电连接；所述储能单元经第一输入切换开关与所述充电单元电连接，所述市电输入经第二输入切换开关与预防掉电单元电连接，所述三桥臂拓扑电路输出端连接一负载；还包括用于测量市电输入电压的第一电压相位检测模块和用于测量输入至负载电压的第二电压相位检测单元，所述第一电压相位检测单元和第二电压相位检测单元经一相差判断单元与一控制单元电连接，所述控制单元与所述第一输入切换开关、第二输入切换开关、充电单元、预防掉电单元和三桥臂拓扑电路电连接。
2.根据权利要求1所述的一种不间断电源，其特征在于，所述三桥臂拓扑包括相互并联的第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，其中第二桥臂由第三开关器件和第四开关器件组成，第三桥臂由第五开关器件和第六开关器件组成，第四桥臂由第七开关器件和第八开关器件组成，第二、第三和第四桥臂均并联接在BUS正母线和BUS负母线之间，BUS正母线和BUS负母线之间还并联有第一电容。
3.根据权利要求2所述的一种不间断电源，其特征在于，所述预防掉电单元由第一单向导电器件和第二单向导电器件反向并联组成，所述预防掉电单元的一端与第二输入切换开关电连接，另一端经一第二电感连接至第二桥臂的中点。
4.根据权利要求3所述的一种不间断电源，其特征在于，所述市电输入的火线与第二输入切换开关电连接，市电输入的零线连接至第三桥臂的中点。
5.根据权利要求2所述的一种不间断电源，其特征在于，所述充电单元包括第一电感以及由第一开关器件和第二开关器件组成的第一桥臂，所述第一电感的输入端与第一输入切换开关连接，第一电感的输出端连接至第一桥臂的中点，所述第一桥臂并联于BUS正母线和BUS负母线之间。
6.根据权利要求5所述的一种不间断电源，其特征在于，所述储能单元正输出端与第一输入切换开关电连接，储能单元的负输出端与BUS负母线连接。
7.根据权利要求2所述的一种不间断电源，其特征在于，所述负载的正输入经一第三电感连接至第四桥臂的中点，负载的负输入端连接至第三桥臂的中点，负载的正输入端和负输入端之间还并联有一第二电容，所述第二电容的输入端与第三电感的输出端连接。
8.一种根据权利要求1所述的不间断电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过第一电压相位检测单元实时检测市电输入电压相位θ1，通过第二电压相位检测单元实时检测输入负载的电压相位θ2，并将市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位θ2输入至相差检测单元；
步骤S2：通过相差检测单元得到市电输入电压相位θ1和输入负载的电压相位
θ2的相位差Δθ，其中；
步骤S3：若步骤S2中Δθ＜90°，则通过控制单元控制第一输入切换开关保持断开状态，第二输入切换开关保持导通状态，三桥臂拓扑电路处于市电逆变工作状态，即此时市电输入连接至三桥臂拓扑电路；若90°≤Δθ＜180°，则转入步骤S4；
步骤S4：通过控制单元控制第二输入切换开关和预防掉电单元处于断开状态，第一输入切换开关处于导通状态，三桥臂拓扑电路处于电池逆变工作状态，即此时三桥臂拓扑电路的输入由市电输入切换至储能单元输入。
9.根据权利要求8所述的一种不间断电源的控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，控制第一电感先处于储能状态，后处于续流状态；当第一电感处于储能状态时，控制单元控制第一开关器件处于断开状态，第二开关器件处于导通状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第二开关器件形成的回路；当第一电感处于续流状态时，控制单元控制第一开关器件处于导通状态，第二开关器件处于断开状态，储能单元输入电流依次经过第一输入切换开关、第一电感、第一开关器件、第一电容形成的回路。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Effective date of registration: 20210928 Address after: 363000 No. 11, Jinxing Road, Xiangcheng District, Zhangzhou City, Fujian Province Patentee after: Zhangzhou Kehua Electric Technology Co.,Ltd. Patentee after: Kehua Data Co.,Ltd. Address before: 363000 Beidou Industrial Park, Jinfeng Development Zone, Xiangcheng District, Zhangzhou City, Fujian Province Patentee before: ZHANGZHOU KEHUA TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: Kehua Data Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20220412 Address after: 363000 No. 11, Jinxing Road, Xiangcheng District, Zhangzhou City, Fujian Province Patentee after: Zhangzhou Kehua Electric Technology Co.,Ltd. Address before: 363000 No. 11, Jinxing Road, Xiangcheng District, Zhangzhou City, Fujian Province Patentee before: Zhangzhou Kehua Electric Technology Co.,Ltd. Patentee before: Kehua Data Co.,Ltd. |
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