CN1074598C - 不断电电源装置 - Google Patents

Abstract

一种不断电电源装置(2)，它具有一个电网整流扼流圈(L10)、一个带有附属控制装置(16)的电压中间回路变流器(4)、一个由具有较大漏感的变压器(T20)及滤波电容器(C30)组成的输出滤波器，一个具有附属控制装置(18)的电网反馈开关装置(12)及一个手动分流开关(Q50)。根据本发明，使用传动技术中的变频器(32)作为变流器(4)，该变频器(32)的前面接有一个输入滤波器(34)，及在其直流电压母线端子(C、D)上接有一个电池耦合装置(42)。因此可以用市场上通用的传动技术组件及USV专门组件构成不断电电源装置(2)，它利用了传动技术中技术和经济上的协调配合机理。

Description

不断电电源装置

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的不断电电源装置。

这样一种不断电电源装置是在市场上可得到的，例如在西门子公司产品说明书“静态不断电电源”中-标题为“USV系列42、功率范围10至500KVA”订货号为：E20001-P1b1-A4-，已详细描述。

图1表示这样一种不断电电源装置2(USV装置)的简化电路概图。该USV装置2由一个电压中间回路的变流器4组成，该变流器由组件：整流器6、电压中间回路8及逆变器10组成。此外，该USV装置2还具有以下组件：电网整流扼流圈L10，电网反馈开关装置12，输出滤波器14。变流器4的控制装置16，电网反馈开关装置12的开关装置18，整流器输入侧开关Q10，手动分路开关Q50，电网反馈开关装置开关Q51，直流电压母线端子C及D，整流器6的电网端子U1、V1、W1，电网反馈开关装置12的电网端子U2、V2、W2、N，一个用电器的端子U3、V3、W3、N，一个并联单元的端子U4、V4、W4、N，操作区20，监视及诊断系统22及远程信号发送装置24。

设置了一个全控晶闸管三相电流桥(6脉冲)作为整流器6。对于整流器6也可选择地设置一个12脉冲的三相电流桥，以便能明显地减小对电网的反馈作用。在500KVA功率的情况下，该USV装置总是用12脉冲方式实施。在整流器6用12脉冲实施方式的情况下，使用两个预调节的6脉冲三相电流桥，它们借助一个变压器错开30°电角度地工作。在变流器控制装置16中实现的对整流器6的控制和调节包括以下功能：-利用IU特征曲线及限制充电电流来实现用软件对电池的保护性自动充电的控制，-防止整流器过载的电流限制，-在电网备用装置工作时减小对电流的限制及使用倾斜的电压特性曲线，-可控起动：缓慢提高电压及电流，无接通电流冲击，-在两个整流器并联工作时可控地进行电流分配，以避免非均匀负荷，-在多单元设备的情况下分级起动整流器。

电压中间回路8构成为滤波回路。该滤波回路由两个扼流圈L11及一个电容器C20组成。这两个扼流圈L11分别连接在一个直流电压母线中。该滤波回路降低了直流电压的自然波动并消除了可能出现的电压峰值。中间回路电压被滤平并且电池电流的波动会很小，这就保护了电池。该USV的原理基于：中间回路电压或是由电网或是当其故障时由电池保持在一个范围内，该范围可使逆变器做到将输出电压保持恒定。

逆变器10由一个晶体管桥式电路组成，该电路的输出侧连接在输出滤波器14之后。该输出滤波器14由一个具有大漏电感的变压器T20及滤波电容器C30组成。变压器T20的漏电感与滤波电容器C30构成三相输出滤波器14，它从脉宽被调制过的逆变器输出电压中滤出基波电压并由此产生具有低失真系数的正弦输出电压。输出电压根据超正弦(Supersinus)的脉宽调制(PWM)方法通过逆变器相位调节进行调整。由于高脉冲频率，可以非常快地进行调节(瞬时值调节)。因为由此使输出电压的曲线形状受到积极的影响，也补偿了由非正弦电流的用电器(非线性负载)产生的反馈作用。在变流器控制装置16中进行的逆变器10的控制与调节包含以下功能：-具有高动态性能地调节电压，-限制电流，-调节频率，-调节角度：与电网及与并联的USV单元精确地同步，由此在转换过程中无需任何平衡电流也没有电流冲击，-调节瞬时值：输出电压的失真系数很小，在非线性负载时也如此，高峰值电流，对曲线形状的积极影响，高动态特性，-形成脉冲：功率晶体管的开关状态将持续地被监测，不可能产生错误脉冲，在极限状态下最佳利用功率部分。

电网反馈开关装置12由三相晶闸管开关26、接触器K50，及一个控制装置18组成。三相晶闸管开关26能够不延迟地接收负载电流。在一预定时间间隔后接触器K50承接持续电流。电网反馈开关装置12的连接在以下情况时不断电：-逆变器10过载，-短路，-逆变器故障，-在手动切断逆变器10时。

用于控制、调节、保护、监控、显示及操作的电子部件可插接地设置在一个组件支架中及设置在与功能或部件相关的外围组件中。这些电子部件在很大程度上由微处理机或微控制器数字化，其中使用了SMD、多层及混合电路技术。

在用于装置功能的必要组件中设置一个独立的监测及诊断系统22。通过操作区20的显示器可提供关于设备状态的详细信息并有助于故障诊断。该系统22可调用地准备好已处理的实际测量值，根据特征曲线方法推测预计可提供的电池跨接时间，提供统计数据，持续地存储地模拟量和数字量，记录故障前、后的过程，检测故障及帮助诊断。

监测及诊断系统22包括一个电池缓冲过程信号存储器，它持续地从USV装置采集大量的信号状态。在故障时，该存储过程还将进行几次，因此可以记录故障前后的过程。随后可读出被存储的电池参数。

操作区20的显示器提供：-功能块及设备状态的显示，-自动电池测试的选择，-其它实际测量值及由此导出的值的显示。

该USV设备2的整流器及电网反馈开关装置的输入端与去无线电干扰电容对地连接并在各相及零线N之间与压敏电阻(过电压限制器)相连接。它们与电压中间回路8的LC滤波器一起保护该设备免遭电网过电压。

正如我们能从该公知的USV设备2的简化电路概图中能得知的，各组件：整流器6、电压中间回路8及逆变器10单独构成并在空间上隔开地设置在设备2中(如点划线所示)。这些组件是针对USV设备2的应用场合专门开发的。这也适合于输出滤波器14，其中变压器T20是特殊制作的，因为它既要变换电压又要用于滤波。在新开发USV设备2时，对这些组件必须进一步地重新研制。

在市场上可以得到用于变速传动装置的电压中间回路变流器(西门子公司产品说明书“SIMOVERT MASTER DRIVES”订货号：E20002-K4065-A111-A1)。这种传动技术的变频器作为组合或装置或组装式装置在市场上可购得。该组合式装置是按节省位置的“Booksitz”格式设计的。其组装简便地通过将该组合式装置挂在标准的G母线上并通过在装置底侧中部的螺丝固定便可实现。这种组合式及组装式装置可以彼此无中间距离地组装在一起。这就减小了所需的开关柜尺寸。该组合装置系列按通用的接线技术来设计。通常，电网及直流电压端子在上方，而电动机端子在下方。该新一代的装置SIMOVERT MASTER DRIVES由高效率元件的模块式系统组成。这些元件可单独地用于每种应用场合。在设计这种装置的结构时，强调突出了易于操作、组装简便、接线容易及部件的等同性。这体现为标准化的机壳、固定件、端子平面、信号线及母线的连接。

各元件被划分为电网侧系统元件及负载侧系统元件。电网整流扼流圈及电网滤波器属于电网侧系统元件。电网整流扼流圈用来限制电网谐波。电网整流扼流圈通过其电感来减小变流器和供电装置及供电/反馈装置的谐波电流。该扼流圈的作用和电网短路功率与传动装置视在功率的比例有关。电网滤波器使变流器、供电装置及馈入/反馈装置产生的无线电干扰电压减小到公用电网的极限值上。

输出扼流圈及正弦滤波器属于负载侧系统元件。输出扼流圈用于补偿长导线时的有效转换电流，可采用铁心扼流圈或铁氧体扼流圈。正弦滤波器由逆变器的脉宽被调制过的输出信号产生出正弦电压，它具有很小的失真系数。

现在，本发明的任务在于，提供一种不断电的电源装置，其中功率部分的开发费用可减至最小，并能利用已有的系统协同机理。

本发明的目的将通过权利要求1的特征来实现。

即通过采用市场上可得到的传动技术用变频装置作为不断电电源装置的电压中间回路变流器，可使USV设备功率部分的开发费用减至最小。此外，使用经受过技术检验及验收的装置作为USV设备的功率部件，由此通过补充公知的部件来形成新的USV设备。由于使用了公知的变频装置，考虑到电池，该中间回路电压没有足够地滤平，借助一个电池耦合装置使电池连接到电压中间回路的端子上。通过使用变频装置及电池耦合装置可使USV设备的这些部件任意地布置在设备中，从而使该USV设备的结构尺寸减小。

变频装置的控制及调节功能在很大程度上可被采用，因为恒定电压及恒定频率是可变电压及可变频率工作的一个特例。由此使新USV装置单元开发的费用进一步节省。对电池工作的调节现在可转移到电池耦合装置上。

在不断电电源装置的一个有利的实施形式中，使用正弦滤波器取代专用变压器及后置的滤波电容器。由此就可使用市场上可得到的具有小漏感的变压器以取代具有大漏感的专用变压器。由此减小了不断电电源装置的成本。此外，市场上通用的变压器相对专用变压器需要的安装位置更小。

该不断电电源装置的进一步有利的设计方案可由从属权利要求4至9中得知。

为了详细地说明本发明将参照附图，在附图中概要地表示了一个根据本发明的不断电电源装置的有利实施形式。

图1是在市场上可获得的USV装置的简化电路概图；

图2是根据本发明的USV装置的一个优选实施形式的电路概图。

在图2中示出一个根据本发明的不断电电源装置2的有利实施形式的简化电路概图，其中与图1中相同的部件标以相同的附图标记。在图2中示出EMV滤波器28及作为过电压保护器使用的压敏电阻30。为了避免重复描述，在对该图的说明中仅描述与图1所示公知USV设备2的电路概图不同之处。

在图2的电路图中使用市场上通用的传动技术用变频器装置32来取代图1中所示的电压中间回路变流器4。在该变频器32的输入侧设有一个扼流圈L11及一个输入滤波器34。在该变频器32的输出侧设有一个正弦滤波器36。在正弦滤波器36的输出侧设有一个变压器38，其后接有一个补偿电容器40。在变频器装置32的直流电压母线端子C和D上连接有一个电池耦合装置42，后者的输出侧与一个电池44相连接。该电池耦合装置42的结构和功能被详细地描绘及描述在一个同时提交的德国专利申请中。

如开头部分所描述的那样，该传动技术用变频器具有一个B6变速系统的二极管整流器、一个中间回路电容器及一个逆变器，其中逆变器中的变流元件是可关断的场效应半导体元件，尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。该变频器装置32同样具有一个控制及调节装置46，它相应地被表示在变频器32的方框中。

为了去除由电感负载分量及由输出变压器38的磁化电流引起的变流器32的位移无功电流，在负载侧使用了补偿电容器40。为了在纯电阻USV负载时使所产生的变流器电流大约等于在电阻-电感负载时的电流量，选择在电网频率时有约30％滤波器横向电流的补偿电容40。在正弦滤波器36中设有一个其量值约为补偿电容40电容量10％的电容。在考虑变压器的变压比的情况下补偿由此可能产生的负容差。

可使用正弦滤波器36作为传动技术用变频器32的选择部件。它可使用变频器装置32的相应功率参数。它将由矩形的变频器电压脉冲产生出接近正弦的电压。它由无源LC滤波电路组成。

由于变压器38除了作变换电压外不必再兼作输出滤波器，因此可使用具有小漏感的变压器38。这样一种具有预定的变压比及预定的结构功率的变压器38可从市场上得到。这种市场上通用的变压器38相对于图1中所示的具有大漏感的专用变压器T20更便宜并具有小的结构尺寸，这就对USV装置2的结构尺寸产生了有利影响。

因此，我们可以利用市场上通用的传动技术组件(变频器32，电池耦合装置42，输入滤波器34，正弦滤波器36及变压器38)及USV专用组件(电网反馈开关装置12，手动分流开关Q50)组装成一个不断电电源装置2，它利用了传动技术中技术及经济方面的协调配合机理。由此大大地减小了开发时间及成本，因而使USV装置2的结构尺寸和价格降低。通过改进变频器装置32的电子部分可实现USV装置的特定特性。

Claims (9)

1．一种不断电电源装置(2)，它具有一个与第一电网(U1、V1、W1、N1)相连接的电网整流扼流圈(L10)，一个连接其后的具有附属控制装置(16)的电压中间回路变流器(4)及由一个变压器(T20)与滤波电容(C30)组成的输出滤波器(14)，一个具有附属控制装置(18)的电网反馈开关装置(12)，它与另一电网(U2、V2、W2、N)相连接，一个用于将另一电网(U2、V2、W2、N)转接到一用电器(U3、V3、W3、N)上的手动分路开关(Q50)，及一个电池(44)，该电池与变流器(4)的直流电压母线端子(C、D)导电连接，其特征在于：作为变流器(4)采用了传动技术中的变频器(32)；在该变频器(32)的前面连接有一个输入滤波器(34)；及在变频器(32)的直流电压母线端子(C、D)及电池(44)之间连接有一个滤平电压的电池耦合装置(42)。

2．根据权利要求1所述的不断电电源装置(2)，其中使用后面接有具有小漏感的变压器(38)的一正弦滤波器(36)作为输出滤波器(14)。

3．根据权利要求2所述的不断电电源装置(2)，其中在变压器(38)的后面接有一个补偿电容器(40)。

4．根据权利要求1所述的不断电电源装置(2)，其中在对第一电网及另一电网(U1、V1、W1；U2、V2、W2)设置的输入开关(Q10、Q51)的后面分别接有一个过电压保护装置。

5．根据权利要求1所述的不断电电源装置(2)，其中在输入侧及输出侧分别接有一个EMV滤波器(28)。

6．根据权利要求4所述的不断电电源装置(2)，其中作为过电压保护装置采用一压敏电阻(30)。

7．根据权利要求1所述的不断电电源装置(2)，其中在变频器装置(32)的后面接有一个电网整流扼流圈，在该变频器的前面接有另一个扼流圈(L12)。

8．根据权利要求2所述的不断电电源装置(2)，其中输入滤波器(34)及正弦滤波器(36)是传动技术中的变频器装置(32)的系统部件。

9．根据权利要求5所述的不断电电源装置(2)，其中所述EMV滤波器(28)是传动技术中变频器装置(32)的系统部件。

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