CN202712946U

CN202712946U - 一种ups充电模块装置

Info

Publication number: CN202712946U
Application number: CN2012203737957U
Authority: CN
Inventors: 胡高宏; 陈永华
Original assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Current assignee: Guangdong East Power Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2022-07-30

Abstract

本实用新型属于UPS电源领域，尤其涉及一种UPS充电模块装置。本实用新型的装置包括与三相交流电压连接的整流装置、直流储能电容装置、直流降压装置、输出开关装置以及控制器，本实用新型通过控制输入电流和输入电压同相位，实现整流电路的功率因数校正功能；其次可以实现直流降压电路输出电压的控制，进而可以实现充电模块的三阶段智能充电；本实用新型为外置独立充电模块，支持在线热插拔操作，并且可以通过扩容充电模块的个数来增加模块化UPS的充电能力，满足用户对大功率充电器的需求。

Description

一种UPS充电模块装置

技术领域

本实用新型属于UPS电源领域，尤其涉及一种UPS充电模块装置。

背景技术

UPS是一种含有蓄电池储能装置，以逆变器为主要单元的电源保护设备。当市电输入正常时，UPS就将市电通过整流、逆变电路变换为稳定的交流电压供负载使用，同时完成对蓄电池的充电；当市电不正常或断电时，UPS就将蓄电池中储存的能量通过直流升压、逆变电路转换为恒压、恒频的交流电给负载供电，有效解决了用电设备直接接到电网时要面临的市电异常所导致用电设备无法正常工作，甚至损坏等问题。

跟传统的塔式UPS比较，模块化UPS由于本身具有的可扩容性、高可靠性、易维护性等特点，近些年已成为UPS产品发展的趋势。典型的模块化UPS通常包含输入、输出配电、监控模块以及功率模块等。功率模块是UPS系统的主要单元，UPS正常工作情况下，功率模块具有热插拔和并联冗余功能。典型的功率模块主要包含整流、逆变、充电等电路，其中内置的充电器由于受硬件资源及内部空间等条件的限制，普遍都存在功率等级偏小的问题。在并联功率模块较少也即充电器个数较少的情况下，充电器的充电能力很难匹配用户所配大容量电池的充电要求；另外，如果充电器包含在功率模块内部，当充电器故障时，即使功率模块正常也需要拔出整个功率模块进行维修，这就会降低UPS的带载能力，系统存在过载导致UPS转旁路甚至掉电的风险。为了解决上述问题，在模块化UPS就需要将内置充电器设计成为外置的独立的充电模块，独立充电模块的容量可以根据需求进行设计，并且跟功率模块一样具有热插拔和并联冗余功能。

发明内容

针对独立充电模块的需求，本实用新型提供一种基于双电池组的外置独立的UPS充电模块装置，该充电模块装置可根据需要进行多个配置，有效的满足客户大容量充电器的需求。

本实用新型采用的技术方案为：

一种UPS充电模块装置，包括与三相交流电压连接的整流装置、直流储能电容装置、直流降压装置和控制器，所述三相交流电压分别为：R、S、T相交流电压，所述整流装置包括分别与三相交流电压相应连接的三个单相整流器，所述每个单相整流器设有脉宽调制控制端口和三个输出端，三个输出端分别为A、B、C；所述直流储能电容装置设有三个电连接端，三个电连接端分别为：a、b、c；每个单相整流器的三个输出端A、B、C分别与直流储能电容装置的三个电连接端a、b、c对应一一电连接，所述直流储能电容装置包括两个电容，其中一个电容C1的两端分别与电连接端a、b电连接，另一个电容C2的两端分别与电连接端b、c电连接；电连接端a、b之间的电压为+Vdc，电连接端c、b之间的电压为-Vdc；所述直流降压装置包括两个直流降压电路，直流降压电路设有两个输入端d、e和两个输出端f、g以及脉宽调制控制端口，其中一个直流降压电路为正直流降压电路，正直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置的电连接端a、b电连接；另一个直流降压电路为负直流降压电路，负直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置的电连接端b、c电连接；其中正直流降压电路的输出端g与负直流降压电路的输出端f电连接；控制器分别与三个单相整流器电连接，且三个单相整流器的输入端的交流电压信号传递给控制器，+Vdc、-Vdc以及三个单相整流器的电感电流信号传递给控制器，控制器的控制端分别与三个单相整流器的脉宽调制控制端口M_R、M_S、M_T电连接。

三个单相整流器分别与三相交流电压的R、S、T相交流电压连接。

其中：正直流降压电路的输出端f、g之间的电压为+Vout；负直流降压电路的输出端f、g之间的电压为-Vout；控制器还与两个直流降压电路、两个电池组电连接，两个直流降压电路的内部电感电流以及+Vout、-Vout传递给控制器，控制器的控制端分别与两个直流降压电路的脉宽调制控制端口m_p、m_n电连接。

其中：还包括输出开关装置，所述输出开关装置包括正输出开关S1和负输出开关S2，正输出开关S1设置于所述正直流降压电路的输出端，负输出开关S2设置于所述负直流降压电路的输出端。

本实用新型的有益效果为：1、通过控制三相输入电流和三相输入电压同相位，实现整流装置的每个单相整流电路（AD/DC）的功率因数校正功能；2、实现直流降压电路输出电压和输出电流控制，进而可以实现充电模块的三阶段智能充电；3、本实用新型为外置独立充电模块，可通过并联多个充电模块满足用户对大功率充电器的需求。

附图说明

图1是本实用新型实施时的结构示意图。

图2为本实用新型的单相整流器的信号输入的其中三个脉宽计算示意图。

图3为本实用新型的单相整流器的信号输入的另三个脉宽计算示意图。

图4为本实用新型的直流降压电路的信号输入的其中一个脉宽计算示意图。

图5为本实用新型的直流降压电路的信号输入的另一个脉宽计算示意图。

图6为本实用新型的与R相交流电连接的单相整流器的AC/DC电路。

图7为本实用新型的与S相交流电连接的单相整流器的AC/DC电路。

图8为本实用新型的与T相交流电连接的单相整流器的AC/DC电路。

图9为正直流降压电路。

图10为负直流降压电路。

附图中：

1——整流装置 2——直流储能电容装置

3——直流降压装置 4——输出开关装置

11——单相整流器 31——直流降压电路。

所有的N均表示电网的中线，即零线。

附图6中，R_SCR1和R_SCR2为两个晶闸管，R_CT1和R_CT2为两个电流传感器且用于采样电感R_L1和R_L2上流过的电流R_Cur_P和R_Cur_N，R_S1和R_S2为两个开关管，开关管的驱动信号分别为R_PWM_P和R_PWM_N。

附图7中，S_SCR1和S_SCR2为两个晶闸管，S_CT1和S_CT2为两个电流传感器且用于采样电感S_L1和S_L2上流过的电流S_Cur_P和S_Cur_N，S_S1和S_S2为两个开关管，开关管的驱动信号分别为S_PWM_P和S_PWM_N。

附图8中，T_SCR1和T_SCR2为两个晶闸管，T_CT1和T_CT2为两个电流传感器且用于采样电感T_L1和T_L2上流过的电流T_Cur_P和T_Cur_N，T_S1和T_S2为两个开关管，开关管的驱动信号分别为T_PWM_P和T_PWM_N。

附图9中，P_S1为开关管，其驱动信号为PWM_P，P_D1为二极管，P_CT1为电流传感器且用于采样流过电感P_L1上的电流Cur_P，P_C1为输出滤波电容。

附图10中，N_S1为开关管，其驱动信号为PWM_N，N_D1为二极管，N_CT1为电流传感器且用于采样流过电感N_L1上的电流Cur_N，N_C1为输出滤波电容。

具体实施方式

如图1所示，一种UPS充电模块装置，应用于双电池组。包括与三交流电压连接的整流装置1、直流储能电容装置2、直流降压装置3、输出开关装置4及控制器，所述交流电压分别为：R、S、T相交流电压，并分别输出到整流装置的相应的单相整流器11，为了提高充电模块装置的功率因素，即控制输入电流和输入电压同相位，实现单相整流器11的整流电路（AD/DC）的功率因数校正（Power factor correction）功能，最终达到减少对电网的污染以及提高电能利用效率的目的，本实施例中需要通过脉宽调制信号对单相整流电路（AC/DC）进行控制，每个单相整流器11设有三个输出端和脉宽调制控制端口，三个输出端分别为A、B、C。其中控制器与三个单相整流器11电连接，且三个单相整流器11的输入端的交流电压信号传递给控制器，（参见图6、7、8）三个单相整流器11的电感电流信号（R_Cur_P、S_Cur_P、T_Cur_P、R_Cur_N、 S_Cur_N、T_Cur_N）传递给控制器，控制器的控制端分别与三个单相整流器11的脉宽调制控制端口M_R、M_S、M_T电连接。

具体调整如下：（参见图2）采用电压环和电流环双环控制，电压环参考值Vdc_ref与电容C1的两端电压+Vdc瞬时采样值进行比较，差值经过比例积分控制器PI校正后得到电压环计算结果Vc_P，Vc_P分别与交流电压相位值R_Vphase、S_Vphase、 T_Vphase相乘得到三相电流环的参考值R_Cur_P_ref、 S_Cur_P_ref、 T_Cur_P_ref，其中R_Vphase、S_Vphase、 T_Vphase的计算方法是将交流电压采样瞬时值R_Volt, S_Volt, T_Volt分别除以各自的有效值R_Volt_rms、S_Volt_rms、T_Volt_rms；R_Cur_P_ref、S_Cur_P_ref、 T_Cur_P_ref分别与相应的单相整流电路正边电流瞬时采样值R_Cur_P、 S_Cur_P、T_Cur_P比较后，经比例积分控制器PI校正后得到三相正边电流环计算结果R_Ic_P、S_Ic_P、T_Ic_P, R_Ic_P、S_Ic_P、T_Ic_P再分别跟各自的脉宽调制载波信号R_Vs_P、S_Vs_P、T_Vs_P比较就产生最终的单相整流电路（AC/DC）的脉宽调制信号R_PWM_P、S_PWM_P、T_PWM_P。

参见图3，电压环参考值Vdc_ref与电容C2的两端电压-Vdc瞬时采样值进行比较，差值经过比例积分控制器PI校正后得到电压环计算结果Vc_N，Vc_N分别与交流电压相位值R_Vphase、S_Vphase、T_Vphase相乘得到三相电流环的参考值R_Cur_N_ref、 S_Cur_N_ref、T_Cur_N_ref；R_Cur_N_ref、S_Cur_N_ref、 T_Cur_N_ref分别与单相整流电路负边电流瞬时采样值R_Cur_N、 S_Cur_N、T_Cur_N比较后，经比例积分控制器PI校正后得到三相负边电流环计算结果R_Ic_N、S_Ic_N、T_Ic_N, R_Ic_N、S_Ic_N、T_Ic_N再分别跟各自的脉宽调制载波信号R_Vs_N、S_Vs_N、T_Vs_N比较就产生最终的单相整流电路的脉宽调制信号R_PWM_N、S_PWM_N、T_PWM_N。

控制器将上述六个脉宽调制信号传递给相应的三个单相整流器11。

参见图1，本实施例中：所述直流储能电容装置2设有三个电连接端，三个电连接端分别为：a、b、c；每个单相整流器11的三个输出端A、B、C分别与直流储能电容装置2的三个电连接端a、b、c对应一一电连接，所述直流储能电容装置2包括两个电容，其中一个电容C1的两端分别与电连接端a、b电连接，另一个电容C2的两端分别与电连接端b、c电连接；电连接端a、b之间的电压为+Vdc，电连接端c、b之间的电压为-Vdc；所述直流降压装置3包括两个直流降压电路31，直流降压电路31设有两个输入端d、e和两个输出端f、g以及脉宽调制控制端口n，其中一个直流降压电路31为正直流降压电路，正直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置2的电连接端a、b电连接；另一个直流降压电路为负直流降压电路，负直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置2的电连接端b、c电连接；两个电池组分别为正电池组和负电池组，正直流降压电路的输出端f、g分别与正电池组的正极和负极电连接，且正直流降压电路的输出端f、g之间的电压为+Vout；负直流降压电路的输出端f、g分别与负电池组的正极和负极电连接，且负直流降压电路的输出端f、g之间的电压为-Vout；其中正直流降压电路的输出端g与负直流降压电路的输出端f电连接；控制器还与直流降压装置3，两个直流降压电路的内部电感电流以及+Vout、-Vout、传递给控制器，控制器的控制端还分别与两个直流降压电路的脉宽调制控制端口m_p、m_n电连接。

其中，所述输出开关装置4包括正输出开关S1和负输出开关S2，正输出开关S1设置于所述正直流降压电路与正电池组之间，负输出开关S2设置于所述负直流降压电路与负电池组之间。设置输出开关装置4可以防止电池或并联网络中其他充电模块对本充电模块内部元件的大电流冲击。

如图4、图5、图9、图10所示，采用电压环和电流环双环控制，电压环参考值Vout_ref与输出电压+Vout瞬时采样值进行比较，差值经过比例积分控制器PI校正后得到电压环计算结果也即电流环参考值Cur_P_ref，Cur_P_ref跟正边电流采样值Cur_P再进行比较，差值经比例积分控制器PI校正后得到正边电流环计算结果Ic_P，Ic_P跟自身的脉宽调制载波信号Vs_P比较最终就产生了直流降压（DC/DC）电路的脉宽调制信号PWM_P；

电压环参考值Vout_ref与负直流降压电路的输出电压-Vout瞬时采样值进行比较，差值经过比例积分控制器PI校正后得到电压环计算结果也即电流环参考值Cur_N_ref，Cur_N_ref跟负边电流采样值Cur_N再进行比较，差值经比例积分控制器PI校正后得到负边电流环计算结果Ic_N，Ic_N跟自身的脉宽调制载波信号Vs_N比较最终就产生了负直流降压电路的脉宽调制信号PWM_N；

控制器将上述两个脉宽调整信号传递给相应的两个直流降压电路。

充电模块的三阶段充电的核心就是直流降压（DC/DC）电路输出电压的控制，实际实现时，通过对电压环计算结果也即电流环参考值Cur_P_ref进行限幅就可以实现充电模块恒流模式和均充模式的平滑切换，而通过调整电压环参考值Vout_ref则可以实现充电模块均充模式和浮充模式的切换，最终就可以实现充电模块的三阶段充电功能。

以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims

1.一种UPS充电模块装置，其特征在于：包括与三相交流电压连接的整流装置、直流储能电容装置、直流降压装置和控制器，所述三相交流电压分别为：R、S、T相交流电压，所述整流装置包括分别与三相交流电压相应连接的三个单相整流器，所述每个单相整流器设有脉宽调制控制端口和三个输出端，三个输出端分别为A、B、C；所述直流储能电容装置设有三个电连接端，三个电连接端分别为：a、b、c；每个单相整流器的三个输出端A、B、C分别与直流储能电容装置的三个电连接端a、b、c对应一一电连接，所述直流储能电容装置包括两个电容，其中一个电容C1的两端分别与电连接端a、b电连接，另一个电容C2的两端分别与电连接端b、c电连接；电连接端a、b之间的电压为+Vdc，电连接端c、b之间的电压为-Vdc；所述直流降压装置包括两个直流降压电路，直流降压电路设有两个输入端d、e和两个输出端f、g以及脉宽调制控制端口，其中一个直流降压电路为正直流降压电路，正直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置的电连接端a、b电连接；另一个直流降压电路为负直流降压电路，负直流降压电路的输入端d、e分别与直流储能电容装置的电连接端b、c电连接；其中正直流降压电路的输出端g与负直流降压电路的输出端f电连接；控制器分别与三个单相整流器电连接，且三个单相整流器的输入端的交流电压信号传递给控制器，+Vdc、-Vdc以及三个单相整流器的电感电流信号传递给控制器，控制器的控制端分别与三个单相整流器的脉宽调制控制端口M_R、M_S、M_T电连接。

2.根据权利要求1所述的一种UPS的充电模块装置，其特征在于：正直流降压电路的输出端f、g之间的电压为+Vout；负直流降压电路的输出端f、g之间的电压为-Vout；控制器还与两个直流降压电路、两个电池组电连接，两个直流降压电路的内部电感电流以及+Vout、-Vout传递给控制器，控制器的控制端分别与两个直流降压电路的脉宽调制控制端口m_p、m_n电连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种UPS的充电模块装置，其特征在于：还包括输出开关装置，所述输出开关装置包括正输出开关S1和负输出开关S2，正输出开关S1设置于所述正直流降压电路的输出端，负输出开关S2设置于所述负直流降压电路的输出端。