CN1322652C - 不间断电源中母线电压软启动方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种不间断电源中母线电压软启动方法及装置，将电池的能量经过功率变换后传输到正负母线上，对母线电容充电；在充电过程中，检测电池能量经过功率变换后的输出电压作为反馈值，按照设定的软启动规律控制功率变换电路的驱动信号，使母线电压按照设计的规律变化，从而使母线电容按设计的规律充电；充电结束后接通市电输入，进入正常工作状态。所用到的“DC/DC电路”和“数字控制模块”是数字控制的UPS的基本单元，无需额外的元器件，降低了成本，提高了可靠性；而数字控制的软启动过程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。在软启动的同时还可以对电池和DC/DC电路等装置的性能进行检测。

Description

不间断电源中母线电压软启动方法及装置
技术领域：
本发明涉及不间断电源(UPS)中母线电压软启动方法及装置。
背景技术：
在不间断电源(UPS)中，市电正常情况下，只有在UPS母线电压达到较高值时，才有额定逆变电压输出。因此在逆变电压正常输出前，需要将能量补充到直流母线上以实现启动。因为母线滤波电容的主要作用是储存能量和滤波，电容量很大，为了防止过大的充电电流对电路中的保险管、印制板上走线的铜皮和母线滤波电容造成冲击，降低器件的使用性能、寿命甚至损坏器件，因此需要通过某种方法对母线滤波电容进行缓慢充电，这就是所谓“软启动”，又称“缓起动”。
UPS业界内各种具有UPS直流母线电压软启动功能的产品都是从市电侧供电实现软启动功能。方案通常有以下两种：
1、串联热敏电阻
在母线电容的充电回路中串联热敏电阻，利用热敏电阻的负温度特性，实现母线电压的软启动功能，如图1所示。该方案的缺点是：只能应用在小功率场合。
2、限流电阻加继电器组合
在母线电容的充电回路中串联限流电阻，且有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，如图2所示。该方案的缺点是：需要加入限流电阻，不仅增加了成本，而且可靠性下降。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种不间断电源中母线电压软启动方法及装置，降低成本，提高可靠性。
为实现上述目的，本发明提出一种不间断电源中母线电压软启动方法，包括如下步骤：能量经过功率变换后传输到正负母线上，对母线电容软启动充电；充电结束，在母线电压达到足以产生额定逆变电压输出的值时，额定逆变电压输出，其特征在于：软启动所需能量由电池提供。
为实现上述目的，本发明还提出一种不间断电源中母线电压软启动装置，包括DC/DC电路，正负母线，DC/DC电路的正负输出端分别接在正负母线上，其特征在于还包括数字控制模块，所述数字控制模块控制DC/DC电路，使正负母线的电压完成软启动。
由于采用了以上的方案，通过在逆变电压正常输出前，将电池的能量进行功率变换输出到直流母线上来实现软启动，再由市电给逆变器供电，所用到的电路(如“DC/DC电路”和“数字控制模块”)是数字控制的UPS的基本单元，不是为了实现软启动功能而额外增加的，无需额外的元器件，降低了成本，提高了可靠性；而数字控制的软启动过程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。
此外，由于软启动过程还与电池性能直接相关，这样在软启动过程中，数字控制模块还可以顺带判断出电池的性能。
附图说明：
图1是现有技术中的串联热敏电阻方案示意图。
图2是现有技术中限流电阻加继电器组合方案示意图。
图3是本发明软启动方案示意图。
图4是本发明一个应用实例示意图。
图5是本发明的一个流程图实例。
图6是闭环控制示意图。
图7是开环控制示意图。
图8是反正规律的软启动曲线示意图
具体实施方式：
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
见图3是本发明软启动方案示意图，其中，电池负极与市电零线连接。DC/DC电路将电池的能量经过功率变换后传输到正负母线上。该电路受数字控制模块的控制。数字控制模块检测输出电压作为反馈值，然后按照一定的软启动规律(曲线)控制DC/DC电路的驱动信号，使母线电压按照设计的规律变化，从而实现软启动功能。
数字控制模块的主要控制方法是：设定一个给定的电压Vref，使其满足软启动规律，然后通过具体的控制使得母线电压跟踪Vref的形状，达到软启动的目的。可以用闭环控制，也可是开环控制，闭环控制的效果更好，分别见图6、7所示。
通过数字控制算法的调整，可以实现各种软启动曲线(即给定的电压Vref满足软启动规律)，使得母线电压达到满意的软启动特性，降低对母线电容的冲击，提高可靠性。可能的软启动曲线有：直线、多段折线、指数曲线、反正切曲线等。实现方法是用程序控制母线电压给定值随时间的变化规律，然后将母线电压作为控制器的反馈值，通过一定算法决定功率电路的驱动信号，使母线电压的真实变化规律与程序控制的母线电压给定值随时间变化的规律一致。
例如：为了控制算法简单，可以采取直线型的软启动曲线。如果实际的母线电压变化规律与设定的直线不符合，则可以判断某些环节出现故障；采取多段折线或者反正切曲线，可以使母线电容电压很低时充电速度很慢，从而减少对滤波电容充电的冲击电流。母线电容电压上升到一定程度后充电速度上升，以保证整个软启动过程的时间长度不至于太长。根据设计者的功能需求不同可以灵活选择。
本发明不但能实现软启动，还可以对电池性能及相关装置的性能进行检测。当UPS市电输入处于正常状态时系统启动DC/DC电路，将电池的能量转换到母线上去，同时检测正负母线电压及电池电压的值。如果软启动过程中母线电压的瞬时值与软启动给定电压的差值在允许范围内，且电池电压处于正常变化范围内，则认为电池和DC/DC电路均处于正常状态；如果软启动过程中母线电压上升同时电池电压异常下跌，根据下跌情况可以判断是电池未接入或者电池性能严重下降；如果软启动过程中电池电压没有明显下跌而且母线电压没有正常上升趋势，可以判定为DC/DC电路损坏，不能完成功率转换功能。上述控制和判断功能均由数字控制模块完成，从而提高了系统的可靠性和智能化程度。图5是本发明的一个流程图实例。
图4为数字控制的通过电池侧DC/DC电路实现直流母线电压软启动功能的应用实例。其中，DC/DC电路采用的是具有双路副边输出的推挽电路，将电池电压升压并直流滤波后分别给正负母线通过能量；数字控制模块采用了DSP，该芯片通过A/D通道对正负母线电压Vbus_P、Vbus_N和电池电压Vbatt进行检测和数字滤波。软启动开始时，DSP按照一定的算法调节输出的DC/DC驱动信号DRV_P和DRV_N，使正负母线电压按照设定规律上升。在软启动过程中，DSP还根据检测的参数按照一定的逻辑对电池和DC/DC电路的状态进行判断，得出相应的逻辑推断结果，用于系统控制。
本发明已得到实验的证实。在一个实验电路中，软启动采用如图8所示曲线，在3秒内完成软启动过程，用仪器测量软启动电流时，可见软启动电流值在器件设计范围内并满足器件指标要求。无须为了承受过大的冲击电流而提高器件的额定电流值。用仪器测量软启动电压时，曲线与设计的曲线变化规律完美重合。如果出现较大偏差，则可以根据上述方法判断出电池或DC/DC电路等的故障。

Claims (9)

1、不间断电源中母线电压软启动方法，包括如下步骤：
能量经过功率变换后传输到正负母线上，对母线电容软启动充电；
充电结束，在母线电压达到足以产生额定逆变电压输出的值时，额定逆变电压输出；
其特征在于：
软启动所需能量由电池提供。
2、如权利要求1所述的不间断电源中母线电压软启动方法，其特征是：在充电过程中，检测电池能量经过功率变换后的输出电压作为反馈值，按照设定的软启动规律控制与电池相连的功率变换电路的驱动信号，使母线电压按照设计的规律变化，从而使母线电容按设计的规律充电。
3、如权利要求2所述的不间断电源中母线电压软启动方法，其特征是：通过对正负母线电压的检测和对电池电压的检测实现对功率变换电路的状态检测。
4、如权利要求3所述的不间断电源中母线电压软启动方法，其特征是功率变换电路和电池状态的判断方法如下：
如果软启动过程中母线电压的瞬时值与软启动给定电压的差值在允许范围内，且电池电压处于正常变化范围内，则认为电池和功率变换电路均处于正常状态；如果软启动过程中母线电压上升同时电池电压异常下跌，根据下跌情况可以判断是电池未接入或者电池性能严重下降；如果软启动过程中电池电压没有明显下跌而且母线电压没有正常的上升趋势，可以判定为功率变换电路损坏，不能完成功率转换功能。
5、如权利要求2或3所述的不间断电源中母线电压软启动方法，其特征是：所述软启动规律即母线电压给定值随时间变化的规律，包括直线、多段折线、指数曲线、反正切曲线中的任一种。
6、不间断电源中母线电压软启动装置，包括DC/DC电路，正负母线，DC/DC电路的正负输出端分别接在正负母线上，其特征在于还包括数字控制模块，所述数字控制模块控制DC/DC电路，使正负母线的电压完成软启动。
7、如权利要求6所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征是：DC/DC电路采用的是具有双路副边输出的推挽电路，其中包含有升压和直流滤波装置。
8、如权利要求6所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征是：数字控制模块采用了数字信号处理器，它通过A/D通道对正负母线电压(Vbus_P、Vbus_N)和电池电压(Vbatt)进行检测和数字滤波；软启动开始时，它按照设定的算法调节输出的用于控制DC/DC电路的驱动信号(DRV_P、DRV_N)，使正负母线电压按照设定规律上升。
9、如权利要求8所述的不间断电源中母线电压软启动装置，其特征是：数字控制模块中还有状态判断装置，用于在软启动过程中，根据检测的参数对电池和DC/DC电路的状态进行判断，得出相应的逻辑推断结果，用于系统控制。
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