CN1808832A - 一种适用于中大功率不间断电源的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，其包括一整流器和一逆变器；其中，所述整流器采用双开关三电平升压电路，其包括一由六个二极管组成的三相全桥电路，用于输入三相交流火线，并将输入的三相交流变换成六波头脉动的直流；两升压式直流－直流变换器串联设置在所述三相全桥电路和两输出滤波电容之间，用于输出直流母线电压，每一升压式直流－直流变换器由一变换器电感、一变换器开关管及一变换器二极管组成；所述变换器开关管的通断交错互补。本发明的电路装置由于采用双开关三电平升压整流器，拓宽了输入市电范围，节省了输入工频变压器等部件，使整机体积减小，成本降低。

Description

一种适用于中大功率不间断电源的电路装置

技术领域

本发明涉及一种不间断电源(UPS)领域的电路装置，尤其涉及是一种输出功率在20～100kVA等级的三相不间断电源UPS的电路装置。

背景技术

现在的20～100kVA等级的中大功率三相输出不间断电源(UPS)已广泛应用到通信、工业、医疗等行业，为重要用电设备提供电源保护。三相UPS的变换功率大，消耗电能多，因此要求设备输入功率因数符合标准；另外三相UPS负载类型多，有阻性、感性、容性、整流非线性负载以及几种负载的组合，要求UPS能够适应各种负载，具备较强过载能力，而且输出具备隔离变压器，消除输出直流成分。三相UPS主电路由整流器和逆变器两部分组成，整流器采用的电路形式现在一般有两种，第一种是三相可控硅全桥六脉波整流电路，简称甲，如图1a所示；第二种是三相六开关矢量控制整流电路，简称乙，如图1b所示。而逆变器采用的电路一般也有两种，第一种是采用三个单相全桥逆变电路相位互差120度并联形成三相输出逆变电路，简称丙，如图2a所示；第二种是使用三相六开关矢量控制逆变电路，简称丁，如图2b所示。整流器甲、乙和逆变器丙、丁进行组合可以形成四种形式的三相输出UPS装置。但是这几种UPS分别存在一定问题：

整流器甲由六个可控硅V1～V6和直流滤波电解电容C1构成，如图1a所示，通过三相相控整流方式将三相交流市电A、B、C变换为D、E点之间的脉动直流母线电压。使用整流器甲形式的UPS的问题是，由于采用可控硅整流，为了实现整流器输出直流母线电压稳定，要求直流电压稳定值低于市电输入范围下限平均值，可控硅的导通角小于180度，轻载或高压输入情况下的导通角更小，导致市电输入范围下限变窄；同时三相输入电流不连续，输入功率因数很低，最大为0.8，而且功率因数与可控硅导通角成反比，轻载情况下可控硅导通角很小，功率因数也相应降低，无法满足信息产业部《YD/T1095通信不间断电源-UPS》标准规定＞0.85的限值要求。此外，输入谐波电流较大，额外增加了输入电源容量要求，例如采用油机供电时，要求油机的输出容量与UPS的输出容量达到3∶1要求，浪费能源。为了提高输入功率因数和降低谐波，有些UPS输入采用12脉波移相整流电路或者额外增加输入无源滤波器，虽然可以使谐波降低到10％左右，但是功率因数仍然无法提高；同时由于增加了输入变压器和工频电感，导致UPS整机变换效率降低2个百分点，造成变换效率又不满足YD/T1095标准规定的≥90％限值要求。

整流器乙由开关管Q1～Q6、输入电感L1～L3和直流滤波电容C2构成，如图1b所示，通过三相矢量控制方式将三相交流市电A、B、C变换为D、E点之间的稳定的直流电压。使用整流器乙的UPS虽然输入功率因数能够达到0.99，总谐波电流失真度可以低于5％，但是存在三方面的问题，首先为了防止开关管反向并联的二极管直通，这种电路对交流市电输入上限有限制，不能超过380V+15％；其次在三相输入市电缺相时整流器无法工作，需要转UPS后备蓄电池组工作，导致UPS对电网适应能力较差，转电池逆变工作的次数增加，降低UPS后备蓄电池组的使用寿命；第三，由于三相六开关矢量控制整流电路工作在升压状态，为了保证输出电压能与后备蓄电池组电压直接并联，必须在输入端配置工频降压变压器，增加了整机体积、重量和成本，降低了变换效率。

逆变器丙由Q7～Q18共12个开关管、工频变压器T1、输出滤波电感L4～L6和交流滤波电容C3～C5构成，如图2a所示的，直流母线电压Vbus通过三个全桥变换电路，受互差120度的驱动信号控制，经过三相变压器耦合变换和LC滤波后输出三相交流电a、b、c。逆变器丁由Q19～Q24、工频变压器T2、输出滤波电感L7～L9和交流滤波电容C6～C8构成，如图2b所示，直流母线电压Vbus通过三个半桥变换电路，受三相六开关矢量控制信号驱动，经过Δ/Y形式的隔离变压器耦合变换和LC滤波后输出三相交流电a、b、c。这两种逆变器与目前的整流器甲或乙组合使用的缺点是：由于整流器甲或乙的输出直流电压较低，导致逆变器为了满足输出三相220V电压，必须采用升压隔离变压器，开关管工作在低压大电流状态，造成整机额定变换效率较低，甚至无法满足YD/T1095标准规定的≥90％限值要求。

因此，现有技术存在一定缺陷，而有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，为了克服现有三相输出UPS技术中的输入电压范围窄，对电网适应性差，输出变换效率低，整机体积大，变换效率低的缺点，解决现有技术中存在的输入功率因数、输入电流谐波总失真度、整机变换效率等指标不能同时满足YD/T1095标准规定限值的问题。

本发明的技术方案为：

一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，其包括一整流器和一逆变器；其中，

所述整流器采用双开关三电平升压电路，其包括一由六个二极管组成的三相全桥电路，用于输入三相交流火线，并将输入的三相交流变换成六波头脉动的直流；

两升压式直流-直流变换器串联设置在所述三相全桥电路和两输出滤波电容之间，用于输出直流母线电压，每一升压式直流-直流变换器由一变换器电感、一变换器开关管及一变换器二极管组成；

所述变换器开关管的通断交错互补。

所述的电路装置，其中，所述逆变器采用三相六开关矢量控制逆变器，其包括由六个开关管组成的主电路，受三相空间矢量高频脉宽调制波控制，将直流母线电压逆变为相位互差120度的三相交流电压，以及一三相变压器隔离变换后输出三相正弦波交流电。

所述的电路装置，其中，所述逆变器的输出端在所述三相变压器前设置经过由三个支路电感，以及在所述三相变压器后设置有三个支路与中心点间电容组成的滤波电路滤波以输出三相纯净正弦波交流。

所述的电路装置，其中，所述整流器在其输入端还增加由三个三相差模滤波电感和三相差模交流滤波电容构成的交流滤波器，用于隔离电磁干扰。

所述的电路装置，其中，所述电路装置用于市电时还包括一数字信号处理器系统检测三相市电的线电压的电压幅值和相位，以及流过所述变换器电感的电流，以及输出的直流母线电压；并以直流母线电压设定值为所述升压式直流-直流变换器的输出电压参考，以输入电压波形作为电感电流参考，经过所述数字信号处理器运算后产生脉冲信号，经过驱动电路放大后控制所述两变换器开关管的导通和关断。

所述的电路装置，其中，所述电路装置用于电池时还包括一数字信号处理器系统检测流过所述变换器电感的电流，以及输出的直流母线电压，以直流母线电压设定值为升压变换器的输出电压参考，所述数字信号处理控制器采用双环控制结构，直流母线电压为电压外环反馈，所述电感电流为电流内环反馈，运算后产生脉冲信号，经过驱动电路放大后控制变换器开关管导通和关断。

所述的电路装置，其中，所述脉冲信号为两路相位差为180度、占空比范围为0～100％的PWM脉冲信号。

一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，其包括一整流器和一逆变器；其中，

所述整流器采用双开关三电平升压电路，其包括一由六个二极管组成的三相全桥电路，用于输入三相交流火线，并将输入的三相交流变换成六波头脉动的直流；

两升压式直流-直流变换器串联设置在所述三相全桥电路和两输出滤波电容之间，用于输出直流母线电压，每一升压式直流-直流变换器由一变换器电感、一变换器开关管及一变换器二极管组成，其中的电感合并在一支路设置，另一支路采用导线短接；

所述变换器开关管的通断交错互补。

本发明所提供的一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，由于采用双开关三电平升压整流器，与现有技术相比，拓宽了输入市电范围，各关键指标同时达到YD/T1095标准规定的限值，节省了输入工频变压器等部件，使整机体积减小，成本降低；同时由于采用较高的直流母线电压，逆变器工作在低电流状况下，提高了UPS整机变换效率。

附图说明：

图1a和图1b是现有技术UPS的整流器的电路原理图；

图2a和图2b是现有技术UPS的逆变器的电路原理图；

图3是本发明一种适用于中大功率UPS的电路装置的原理图；

图4是本发明的利用增加输入滤波器进一步降低输入电流谐波的UPS电路装置原理图；

图5和图6是本发明应用数字信号处理器以控制实现UPS电路达到YD/T1095标准规定指标限值的两实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明的不间断电源装置由整流器和逆变器组成，与现有技术不同的是整流器采用的是三相无中线输入双开关三电平升压整流器。

双开关三电平升压整流器可采用市电直接整流输入或者后备蓄电池组输入，将输入电压升压为稳定的直流母线电压，由于该直流母线电压不必与后备蓄电池组直接并联，因此稳压值可以选定在不低于380V+25％峰值的电压380×1.25×1.414＝672V以上。又由于整流器采用双开关升压电路，可以把380V-25％的市电电压下限值升压到稳定直流值，所以拓宽了输入市电电压上下限范围。双开关交替180度相位工作，在特定方式控制下，在市电输入时，使输入电流波形从轻载到满载范围内都跟随电压波形，保证了全负载在范围内输入功率因数都高于0.9，而输入电流谐波总失真度可以满足小于25％。

双开关三电平升压整流器还可以在市电停电时，将浮动的蓄电池组电压升压为稳定直流母线电压值，为后级逆变器供电。即市电和电池可以公用一套升压电路，由此减小了UPS的体积。本发明同时可以降低蓄电池组的电压要求，减少电池串联节数，提高蓄电池组的可靠性。

本发明的逆变器可采用图2b所示电路装置，与现有技术不同的是其输入采用较高的直流母线电压，所述逆变器可以直接输出220V的电压，变压器的作用是只进行隔离变换，而不再升压，这样流过变压器原边开关管和绕组的电流值就降低，减小了原边导通电阻上的压降，从而提高了逆变器变换效率。

如图3所示是本发明所示的一种适用于中大功率UPS的电路装置原理图，由整流器和逆变器两大部分组成。

所述整流器采用双开关三电平升压电路，在市电逆变工作模式下，A、B、C分别代表三相交流输入火线，经过由D1～D6共六个二极管组成三相全桥电路，将输入的三相交流电压和电流变换成六波头脉动的直流电压和电流。变换器电感L1、变换器开关管Q1、变换器二极管D7组成第一个升压式(BOOST)直流-直流变换器，变换器电感L2、变换器开关管Q2、变换器二极管D8组成第二个升压式(BOOST)直流-直流变换器，其中变换器电感L1和L2可以合并为一个电感，放置在L1或L2的位置，另外一个位置采用导线短接。这两个变换器串联后连接在三相整流桥和输出滤波电容C1、C2之间。变换器开关管Q1和变换器开关管Q2的通断交错互补，相位互差180度，占空比范围为0～100％的高频脉宽调制(PWM)波控制。将脉动的市电电压升压到稳定的直流母线电压约为700V，为后级逆变器供电。同时强迫市电输入电流波形跟随电压波形，使输入功率因数在全负载范围内达到0.9以上。在电池逆变工作模式下，电池电流从正极D点经二极管D9流入二个串联的直流-直流变换器，然后从负极E点流入。D9的作用是阻断市电给电池直接充电通路，使电池电流单向流动，D9也可以使用可控硅等单向导通器件。变换器开关管Q1和变换器开关管Q2的通断仍然受交错互补，相位互差180度，占空比范围为0～100％的高频脉宽调制(PWM)波控制。只是不再跟踪输入电压波形。将浮动的电池电压升压到稳定的直流母线电压约为700V，为后级逆变器供电。电感L1和L2工作频率为开关管工作频率的2倍，与普通升压式(BOOST)直流-直流变换器相比，在开关管工作频率相等情况下，电感的工作频率提高了一倍，从而减小了电感体积和重量。

逆变器可以采用图2b所示的三相六开关矢量控制逆变器，其由Q19～Q24共六个开关管组成的主电路，受三相空间矢量高频脉宽调制波(SVPWM)控制，将直流母线700V电压逆变为相位互差120度的三相交流电压，经过由L7、L8、L9与C6、C7、C8组成的滤波电路滤波和三相变压器T2隔离变换后输出三相纯净正弦波交流，三相火线分别为a、b、c，中点N由逆变器产生。与本发明所述的整流器配合，逆变器输入直流母线电压为700V左右，由于SVPWM控制逆变器的直流母线利用率可以达到1，因此三相变压器的原副边匝数变比标准值可以达到1∶1，即380∶220，与现有逆变器技术相比较，变压器原边工作电压升高到原来的2倍，原边电流相应下降到50％左右，减小了变压器原边绕组和开关管的导通损耗，从而提高了逆变器变换效率。

如图4所示是本发明利用增加输入滤波器进一步降低输入电流谐波的UPS电路装置原理图。

其在前述整流器基础上，输入端增加由L3、L4、L5三相差模滤波电感和C3、C4、C5三相差模交流滤波电容构成的交流滤波器，在市电逆变工作模式下，A、B、C分别代表三相交流输入火线，经过交流滤波器后送入本发明描述的双开关三电平升压电路整流器，后续电路的工作原理如前所述。交流滤波器的作用首先是滤除市电电网侧输入的干扰信号，避免整个UPS装置受电网干扰；其次是滤除UPS后级整流器和逆变器产生的干扰信号对电网造成的污染；还可以减小特定次数的谐波输入电流，进一步降低UPS装置总的输入谐波电流值。由于双开关三电平升压电路整流器本身具备较高的输入功率因数和较低的输入谐波电流，因此交流滤波器可以采用较小的电感值，也就是采用较小的电感体积。

如图5和图6所示是本发明应用数字信号处理器DSP进行控制实现达到YD/T1095标准规定指标限值的方法，其中图5是市电逆变工作模式下整流器部分的实施电路，图6是电池逆变工作模式下整流器部分的实施电路，整流器和前述逆变器构成整个UPS装置。

所述整流器采用DSP控制系统控制，其在市电逆变工作模式下，如图5所示，A、B、C分别代表三相交流输入火线，经过由L3、L4和L5三个差模电感和C3、C4和C5三个差模电容组成的EMI滤波器和D1～D6共六个二极管组成三相全桥电路，将输入的三相交流电压和电流变换成六波头脉动的直流电压和电流。EMI(Electromagnetic Interference)指的是电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)缩写EMC，就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。EMI滤波器的作用是滤除UPS产生的高次谐波，降低UPS输入电流总谐波失真度。变换器电感L1、IGBT变换器开关管Q1、变换器二极管D7组成第一个升压式(BOOST)直流-直流变换器，变换器电感L2、IGBT变换器开关管Q2、变换器二极管D8组成第二个升压式(BOOST)直流-直流变换器，这两个变换器串联后连接在三相整流桥和输出滤波电容C1、C2之间。DSP控制系统由DSP处理器、采样电路、输入输出接口电路组成。DSP系统检测三相市电的线电压Vab、Vbc和Vca的电压幅值和相位，流过电感L1和L2的电流I11和I12，以及输出直流母线电压Vbus+和Vbus-。以直流母线电压设定值Vbus＝2Vbus+＝2Vbus-＝700V为升压变换器的输出电压参考，以输入电压波形作为电感电流参考，经过DSP运算后产生两路相位差为180度、占空比范围为0～100％的PWM脉冲信号，经过驱动电路放大后控制IGBT变换器开关管Q1和Q2导通和关断。将脉动的市电电压升压到稳定的直流母线电压约为700V，为后级逆变器供电。同时强迫市电输入电流波形跟随电压波形，使输入功率因数在全负载范围内达到0.9以上。在电池逆变工作模式下，电路构成与市电逆变工作模式相同，如图6所示，电池电流从正极D点经二极管D9流入二个串联的直流-直流变换器，然后从负极E点流入。D9的作用是阻断市电给电池直接充电通路，使电池电流单向流动。DSP系统检测流过变换器电感L1和L2的电流I11和I12，以及输出直流母线电压Vbus+和Vbus-。以直流母线电压设定值Vbus＝2Vbus+＝2Vbus-＝700V为升压变换器的输出电压参考，DSP控制器采用双环控制结构，母线电压Vbus+和Vbus-为电压外环反馈，电感电流I11和I12为电流内环反馈，运算后产生两路相位差为180度、占空比范围为0～100％的PWM脉冲信号，经过驱动电路放大后控制IGBT变换器开关管Q1和Q2导通和关断。将浮动的电池电压升压到稳定的直流母线电压约为700V，为后级逆变器供电。电感L1和L2工作频率为开关管工作频率的2倍，与普通升压式(BOOST)直流-直流变换器相比，在开关管工作频率相等情况下，电感的工作频率提高了一倍，从而减小了电感体积和重量。

本发明所公开的一种电路装置可以应用于中大功率三相输出UPS中。本装置具有宽达380V±25％的输入电压范围，可以工作在市电缺相情况下，增强了三相UPS对输入电网的适应性。输入功率因数在从轻载到满载范围内都可以高达0.90，输入电流谐波总失真度小于25％，整机变换效率大于92％，上述指标可以同时满足YD/T1095标准规定。同时由于省去了输入工频变压器，使整机体积减小，成本降低。

应当理解的是，本发明的上述针对较佳实施例的描述比较具体，不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，其专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1、一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，其包括一整流器和一逆变器；其特征在于，

所述整流器采用双开关三电平升压电路，其包括一由六个二极管组成的三相全桥电路，用于输入三相交流火线，并将输入的三相交流变换成六波头脉动的直流；

两升压式直流-直流变换器串联设置在所述三相全桥电路和两输出滤波电容之间，用于输出直流母线电压，每一升压式直流-直流变换器由一变换器电感、一变换器开关管及一变换器二极管组成；

所述变换器开关管的通断交错互补。

2、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述逆变器采用三相六开关矢量控制逆变器，其包括由六个开关管组成的主电路，受三相空间矢量高频脉宽调制波控制，将直流母线电压逆变为相位互差120度的三相交流电压，以及一三相变压器隔离变换后输出三相正弦波交流电。

3、根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述逆变器的输出端在所述三相变压器前设置经过由三个支路电感，以及在所述三相变压器后设置有三个支路与中心点间电容组成的滤波电路滤波以输出三相纯净正弦波交流。

4、根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，所述整流器在其输入端还增加由三个三相差模滤波电感和三相差模交流滤波电容构成的交流滤波器，用于隔离电磁干扰。

5、根据权利要求1～4任意权项所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置用于市电时还包括一数字信号处理器系统检测三相市电的线电压的电压幅值和相位，以及流过所述变换器电感的电流，以及输出的直流母线电压；并以直流母线电压设定值为所述升压式直流-直流变换器的输出电压参考，以输入电压波形作为电感电流参考，经过所述数字信号处理器运算后产生脉冲信号，经过驱动电路放大后控制所述两变换器开关管的导通和关断。

6、根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述脉冲信号为两路相位差为180度、占空比范围为0～100％的PWM脉冲信号。

7、根据权利要求1～4任意权项所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置用于电池时还包括一数字信号处理器系统检测流过所述变换器电感的电流，以及输出的直流母线电压，以直流母线电压设定值为升压变换器的输出电压参考，所述数字信号处理控制器采用双环控制结构，直流母线电压为电压外环反馈，所述电感电流为电流内环反馈，运算后产生脉冲信号，经过驱动电路放大后控制变换器开关管导通和关断。

8、根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，所述脉冲信号为两路相位差为180度、占空比范围为0～100％的PWM脉冲信号。

9、一种适用于中大功率不间断电源的电路装置，其包括一整流器和一逆变器；其特征在于，

所述整流器采用双开关三电平升压电路，其包括一由六个二极管组成的三相全桥电路，用于输入三相交流火线，并将输入的三相交流变换成六波头脉动的直流；

两升压式直流-直流变换器串联设置在所述三相全桥电路和两输出滤波电容之间，用于输出直流母线电压，每一升压式直流-直流变换器由一变换器电感、一变换器开关管及一变换器二极管组成，其中的电感合并在一支路设置，另一支路采用导线短接；

所述变换器开关管的通断交错互补。

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