TWI789459B

TWI789459B - 在線式不間斷電源及其控制方法

Info

Publication number: TWI789459B
Application number: TW107140942A
Authority: TW
Inventors: 鄭大為; 李化良; 徐忠勇
Original assignee: 美商伊登公司
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-17
Publication date: 2023-01-11
Also published as: CN108808834A; CN108808834B; TW201929373A

Abstract

本發明提供一種在線式不間斷電源及其控制方法，所述在線式不間斷電源包括：旁路輸入端，其藉由旁路開關連接至交流輸出端；市電輸入端，其依次藉由整流器、正負直流母線及逆變器連接至所述交流輸出端，所述逆變器的輸出端與所述交流輸出端之間不具有隔離器件；電容，其兩端連接至所述正負直流母線之間；充電器，其包括：第一對輸入端，所述第一對輸入端的兩個接線端子連接至所述旁路輸入端；第二對輸入端，所述第二對輸入端的兩個接線端子連接至所述市電輸入端；以及連接至所述電容兩端的輸出端。本發明之在線式不間斷電源減小在線式不間斷電源的體積，且降低其成本。

Description

在線式不間斷電源及其控制方法

本發明係關於不間斷電源，具體係關於在線式不間斷電源及其控制方法。

在線式不間斷電源能夠持續不斷地向負載進行供電，已被廣泛地用於各領域。

圖1是先前技術中的一種在線式不間斷電源的電路圖。如圖1所示，旁路輸入端Bin藉由雙向晶閘管BS11連接至交流輸出端ACout，市電輸入端ACin依次藉由整流開關S12、整流器11、正直流母線121及負直流母線122、逆變器13、熔斷器14及隔離器件S13連接至交流輸出端ACout。電池15依次藉由開關S14、變換器16連接至正、負直流母線121、122。在線式不間斷電源1亦包括電容C，以及充電器17及偵測控制裝置18，其中電容C連接在正直流母線121與負直流母線122之間的，充電器17之輸入端連接至市電輸入端ACin，且輸出端連接至正、負直流母線121、122。偵測控制裝置18用於偵測旁路輸入端Bin提供之交流電及逆變器輸出之交流電的電壓及相位，使得逆變器13輸出之交流電的電壓及相位跟蹤旁路輸入端Bin提供的交流電的電壓及相位。

在現有的在線式不間斷電源1中，逆變器13之輸出端均會配置一個隔離器件S13。例如，在大功率在線式不間斷電源中，隔離器件S13通常選用接觸器。接觸器S13具有如下幾個作用：

當電容C未充電且旁路輸入端Bin對交流輸出端ACout進行供電時，藉由控制接觸器S13處於斷開狀態，從而切斷逆變器13之輸出端與旁路輸入端Bin之間的電連接，避免旁路輸入端Bin提供之交流電藉由雙向晶閘管BS11及逆變器13中的二極體對電容C帶來湧流或衝擊電流。

在線式不間斷電源1藉由斷開接觸器S13能夠隨時自逆變器13輸出端供電切換至旁路輸入端Bin供電。在逆變器13停止工作的情況下，斷開接觸器S13，且立即控制雙向晶閘管BS11導通以啟動旁路輸入端Bin供電，旁路輸入端Bin提供之交流電不會藉由逆變器13中的二極體對電容C帶來湧流或衝擊電流。而在逆變器13工作的情況下，偵測控制裝置18藉由偵測旁路輸入端Bin提供的交流電的電壓及相位，同時偵測逆變器13輸出的交流電的電壓及相位，控制逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤旁路輸入端Bin提供的交流電的電壓及相位，隨後控制雙向晶閘管BS11導通以啟動旁路輸入端Bin供電且斷開接觸器S13，隔離輸出端及逆變器13，避免旁路及逆變器13之間產生環流。

當出現整流器11、逆變器13過載、過溫或電容C兩端過壓等非損壞性故障時，可藉由切斷接觸器S13來斷開逆變器13的輸出端與交流輸出端ACout之間的電連接。

因此，目前的在線式不間斷電源的逆變器的輸出端與交流輸出端ACout之間均連接有隔離器件。然而，連接於逆變器13的輸出端與交流輸出端ACout之間的接觸器S13通常具有如下缺點：體積大、價格昂貴、壽命有限、失效率高。

針對先前技術存在之上述技術問題，本發明之實施例提供一種在線式不間斷電源，包括：旁路輸入端，其藉由旁路開關連接至交流輸出端；市電輸入端，其依次藉由整流器、正負直流母線及逆變器連接至所述交流輸出端，所述逆變器之輸出端與所述交流輸出端之間不具有隔離器件；電容，其兩端連接至所述正負直流母線之間；充電器，其包括：第一對輸入端，所述第一對輸入端之兩個接線端子連接至所述旁路輸入端；第二對輸入端，所述第二對輸入端之兩個接線端子連接至所述市電輸入端；以及連接至所述電容兩端的輸出端。

較佳地，所述在線式不間斷電源亦包括偵測控制裝置，其用於偵測所述逆變器及所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位，且控制所述逆變器輸出之交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。

較佳地，所述在線式不間斷電源亦包括電池及變換器，所述電池藉由所述變換器連接至所述電容兩端。

較佳地，所述在線式不間斷電源亦包括連接在所述市電輸入端與所述整流器之間的整流開關，以及連接於所述逆變器的輸出端與所述交流輸出端之間的熔斷器。

較佳地，所述旁路開關為雙向晶閘管或反向並聯的兩個晶閘管。

本發明之一個實施例提供一種用於如上所述的在線式不間斷電源的控制方法，當所述市電輸入端無市電時，所述控制方法包括下列步驟： S11），控制所述充電器工作以對所述電容進行充電； S12），當所述電容兩端的電壓達到預定的第一閾值電壓時，控制所述充電器停止工作；以及 S13），控制所述旁路開關導通。

本發明之一個實施例提供一種用於如上所述的在線式不間斷電源的控制方法，所述旁路輸入端的交流電對所述交流輸出端供電，且當所述市電輸入端有市電時，所述控制方法包括下列步驟： S21），控制所述整流器工作，使得所述電容兩端的電壓達到其工作電壓； S22），偵測所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位； S23），控制所述逆變器輸出交流電至所述交流輸出端。

較佳地，所述步驟S23）包括如下步驟：計算出應當向所述逆變器提供的脈寬調制信號；控制所述旁路開關截止，且向所述逆變器提供所述脈寬調制信號以使得所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。

較佳地，在所述步驟S21）之前亦包括如下步驟：偵測所述電容兩端的電壓，若所述電容兩端的電壓不小於預定的第二閾值電壓，則控制所述整流器工作；若所述電容兩端的電壓小於預定的第二閾值電壓，則控制所述充電器工作以使得所述電容兩端的電壓達到預定的第二閾值電壓，控制所述充電器停止工作且控制所述整流器工作。

本發明之另一個實施例提供一種用於如上所述的在線式不間斷電源的控制方法，當所述旁路輸入端無交流電時，所述控制方法包括下列步驟： S31)，控制所述充電器工對作以所述電容進行充電； S32)，當所述電容兩端的電壓達到預定的第三閾值電壓時，控制所述充電器停止工作，且控制所述整流器工作；以及 S33)，當所述電容兩端的電壓達到其工作電壓時，控制所述逆變器工作。

本發明之又一個實施例提供一種用於如上所述的在線式不間斷電源的控制方法，所述市電輸入端對所述交流輸出端供電，當所述旁路輸入端有交流電時，所述控制方法包括下列步驟： S41)，偵測所述旁路輸入端的交流電及所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位； S42)，控制所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位； S43)，控制所述旁路開關導通同時控制所述逆變器停止工作。

較佳地，所述步驟S42)包括：計算出應當向所述逆變器提供的脈寬調制信號，且提供所述脈寬調制信號至所述逆變器使其輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。

本發明之在線式不間斷電源省略連接在逆變器輸出端的隔離器件，減小在線式不間斷電源的體積，且降低其成本。

基於本發明的控制方法，避免對上述在線式不間斷電源的電容帶來湧流或衝擊電流，亦避免在旁路輸入端與逆變器之間產生環流電流。

為了使本發明之目的、技術方案及優點更清楚明白，以下結合附圖藉由具體實施例對本發明進一步詳細說明。

圖2是根據本發明較佳實施例的在線式不間斷電源的電路圖。如圖2所示，其與圖1基本相同，因此相同的部件用類似的附圖標記表示，區別在於，逆變器23的輸出端與交流輸出端ACout之間無接觸器，另外充電器27具有兩對輸入端，其中一對輸入端的兩個接線端子連接至市電輸入端ACin，其另一對輸入端的兩個接線端子連接至旁路輸入端Bin。

本發明的在線式不間斷電源2與圖1所示的在線式不間斷電源1相比，省略連接至逆變器23的輸出端的接觸器，因此減小其體積及成本。

然而，基於現有的控制方法，在旁路輸入端Bin供電的情況下，旁路輸入端Bin提供之交流電藉由雙向晶閘管BS21及逆變器23中的二極體必然對電容C'帶來湧流或衝擊電流。

因此，根據本發明之另一個實施例，亦提供用於在線式不間斷電源2的控制方法。

（1）當市電輸入端ACin無市電時：此時逆變器23停止工作且需要旁路輸入端Bin來提供交流電。

圖3是圖2所示的在線式不間斷電源的第一種轉換模式的控制流程圖。如圖3所示，首先控制充電器27工作，充電器27利用旁路輸入端Bin的交流電對電容C'進行充電。當電容C'兩端的電壓達到預定的第一閾值電壓（例如旁路輸入端Bin的交流電的波峰及波谷電壓差的90%）時，使得充電器27停止工作。最後控制雙向晶閘管BS21導通，從而切換至旁路模式。

由於充電器27對電容C'進行預充電使其兩端具有閾值電壓，即使逆變器23輸出端與旁路輸入端Bin之間不具有隔離器件，旁路輸入端Bin的交流電亦不能藉由逆變器23中的二極體傳輸至電容C'上，避免對電容C'帶來湧流或衝擊電流。

（2）當市電輸入端ACin有市電，需要由旁路供電模式轉換成市電供電模式時：其中在轉換成市電供電模式之前，旁路輸入端Bin之交流電藉由逆變器23中的二極體對電容C'進行充電。

圖4是圖2所示的在線式不間斷電源的第二種轉換模式的控制流程圖。如圖4所示，首先控制整流器21工作以對電容C'進行充電，使得電容C'兩端的電壓達到其工作電壓。偵測控制裝置28偵測旁路輸入端Bin的交流電的電壓及相位，且計算出應向逆變器23提供的脈寬調制信號（PWM）以使其輸出相同的電壓及相位。控制雙向晶閘管BS21截止且向逆變器23提供所需的PWM信號使其工作，最終轉換成市電供電模式。

在控制整流器21工作之前，電容C'兩端具有一定的電壓，因此控制整流器21工作以對電容C'進行充電的過程中，減小或避免對電容C'帶來的湧流或衝擊電流。另外，在旁路供電轉換成逆變器輸出供電的轉移時間內，旁路的交流電及逆變器輸出的交流電具有相同的電壓及相位，避免在旁路輸入端Bin與逆變器23之間產生環流電流。

在本發明之另一個較佳控制方法中，其與圖4所示的控制流程基本相同，區別在於，在控制整流器21工作之前，亦包括如下步驟：偵測電容C'兩端的電壓，若電容C'兩端的電壓不小於預定的第二閾值電壓（例如市電輸入端ACin的市電的波峰及波谷的電壓差的90%，無需控制充電器27對電容C'進行預充電，直接控制整流器21開始工作。若電容C'兩端的電壓小於市電輸入端ACin的市電的波峰及波谷的電壓差的90%，則控制充電器27工作，以利用市電輸入端ACin的市電對電容C'進行預充電至預定的第二閾值電壓後，控制充電器27停止工作，隨後控制整流器21開始工作。藉由偵測電容C'兩端的電壓，確保在控制整流器21工作時，不會對電容C'帶來湧流或衝擊電流。

（3）當旁路輸入端Bin無法提供交流電，需要轉換成市電輸入端ACin來供電時：圖5是圖2所示的在線式不間斷電源的第三種轉換模式的控制流程圖。如圖5所示，首先控制充電器27工作，以利用市電輸入端ACin的市電對電容C'進行預充電，使得電容C'兩端的電壓達到預定的第三閾值電壓（例如市電的波峰及波谷的電壓差的90%）。之後控制充電器27停止工作，同時控制整流器21工作以使得電容C'兩端的電壓達到其工作電壓。控制逆變器23工作以輸出交流電。由此控制整流器21工作時可避免對電容C'帶來湧流或衝擊電流。

（4）當市電輸入端ACin的市電藉由整流器21及逆變器23對交流輸出端ACout提供交流電，旁路輸入端Bin有交流電時：此時由市電輸入端ACin供電轉換成旁路輸入端Bin供電。

圖6是圖2所示的在線式不間斷電源的第四種轉換模式的控制流程圖。偵測控制裝置28偵測逆變器23輸出的交流電的電壓及相位以及旁路輸入端Bin提供的交流電的電壓及相位，計算出應向逆變器23提供的PWM信號且提供所述PWM信號至逆變器23使其輸出的交流電與旁路輸入端Bin的交流電同步，即兩者具有相同的電壓及相位。控制雙向晶閘管BS21導通同時控制逆變器23停止工作，最終實現由旁路供電。

由於逆變器23輸出的交流電的電壓及相位跟蹤旁路輸入端Bin提供的交流電的電壓及相位，因此控制雙向晶閘管BS21導通時，旁路輸入端Bin及逆變器23之間不會產生環流電流。

在本發明的其他實施例中，連接在旁路輸入端Bin與交流輸出端ACout之間的旁路開關為反向並聯的兩個晶閘管。

本發明整流器21、充電器27及逆變器23的電路結構及其工作原理為熟習此項技術者所熟知，在此不再贅述。

雖然本發明已藉由較佳實施例進行描述，但本發明並非侷限於此處所描述之實施例，在不脫離本發明範圍之情況下亦包括所作出的各種改變以及變化。

11‧‧‧整流器13‧‧‧逆變器14‧‧‧熔斷器15‧‧‧電池16‧‧‧變換器17‧‧‧充電器18‧‧‧偵測控制裝置21‧‧‧控制整流器23‧‧‧逆變器27‧‧‧充電器28‧‧‧偵測控制裝置121‧‧‧正直流母線122‧‧‧負直流母線ACin‧‧‧市電輸入端ACout‧‧‧交流輸出端Bin‧‧‧旁路輸入端BS11‧‧‧雙向晶閘管BS21‧‧‧雙向晶閘管S12‧‧‧整流開關S13‧‧‧隔離器件S14‧‧‧開關C'‧‧‧電容

以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中：圖1是先前技術中的一種在線式不間斷電源的電路圖。圖2是根據本發明較佳實施例的在線式不間斷電源的電路圖。圖3是圖2所示的在線式不間斷電源的第一種轉換模式的控制流程圖。圖4是圖2所示的在線式不間斷電源的第二種轉換模式的控制流程圖。圖5是圖2所示的在線式不間斷電源的第三種轉換模式的控制流程圖。圖6是圖2所示的在線式不間斷電源的第四種轉換模式的控制流程圖。

ACin‧‧‧市電輸入端

ACout‧‧‧交流輸出端

Bin‧‧‧旁路輸入端

BS21‧‧‧雙向晶閘管

21‧‧‧控制整流器

23‧‧‧逆變器

27‧‧‧充電器

28‧‧‧偵測控制裝置

C'‧‧‧電容

Claims

一種在線式不間斷電源，其特徵在於，包括：旁路輸入端，其藉由旁路開關連接至交流輸出端；市電輸入端，其依次藉由整流器、正負直流母線及逆變器連接至所述交流輸出端，所述逆變器的輸出端與所述交流輸出端之間不具有隔離器件；電容，其兩端連接至所述正負直流母線之間；充電器，其包括：第一對輸入端，所述第一對輸入端的兩個接線端子連接至所述旁路輸入端；第二對輸入端，所述第二對輸入端的兩個接線端子連接至所述市電輸入端；以及連接至所述電容兩端的輸出端。
如申請專利範圍第1項所述的在線式不間斷電源，其中，所述在線式不間斷電源亦包括偵測控制裝置，其用於偵測所述逆變器及所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位，且控制所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。
如申請專利範圍第1項所述的在線式不間斷電源，其中，所述在線式不間斷電源亦包括電池及變換器，所述電池藉由所述變換器連接至所述電容兩端。
如申請專利範圍第1項所述的在線式不間斷電源，其中，所述在線式不間斷電源亦包括連接在所述市電輸入端與所述整流器之間的整流開關，以及連接在所述逆變器的輸出端與所述交流輸出端之間的熔斷器。
如申請專利範圍第1項所述的在線式不間斷電源，其中，所述旁路開關為雙向晶閘管或反向並聯的兩個晶閘管。
一種用於如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其特徵在於，當所述市電輸入端無市電時，所述控制方法包括下列步驟：S11)，控制所述充電器工作以對所述電容進行充電；S12)，當所述電容兩端的電壓達到預定的第一閾值電壓時，控制所述充電器停止工作；以及S13)，控制所述旁路開關導通。
一種用於如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其特徵在於，所述旁路輸入端的交流電對所述交流輸出端供電，且當所述市電輸入端有市電時，所述控制方法包括下列步驟：S21)，控制所述整流器工作，使得所述電容兩端的電壓達到其工作電壓；S22)，偵測所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位；S23)，控制所述逆變器輸出交流電至所述交流輸出端。
如申請專利範圍第7項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其中，所述步驟S23)包括如下步驟：計算出應當向所述逆變器提供的脈寬調制信號；控制所述旁路開關截止，且向所述逆變器提供所述脈寬調制信號以使得所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。
如申請專利範圍第7項所述的控制方法，其中，在所述步驟S21)之前亦包括如下步驟：偵測所述電容兩端的電壓，若所述電容兩端的電壓不小於預定的第二閾值電壓，則控制所述整流器工作；若所述電容兩端的電壓小於預定的第二閾值電壓，則控制所述充電器工作以使得所述電容兩端的電壓達到預定的第二閾值電壓，控制所述充電器停止工作且控制所述整流器工作。
一種用於如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其特徵在於，當所述旁路輸入端無交流電時，所述控制方法包括下列步驟：S31)，控制所述充電器工作以對所述電容進行充電；S32)，當所述電容兩端的電壓達到預定的第三閾值電壓時，控制所述充電器停止工作，且控制所述整流器工作；以及S33)，當所述電容兩端的電壓達到其工作電壓時，控制所述逆變器工作。
一種用於如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其特徵在於，所述市電輸入端對所述交流輸出端供電，當所述旁路輸入端有交流電時，所述控制方法包括下列步驟：S41)，偵測所述旁路輸入端的交流電及所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位；S42)，控制所述逆變器輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位；S43)，控制所述旁路開關導通同時控制所述逆變器停止工作。
如申請專利範圍第11項所述的在線式不間斷電源的控制方法，其中，所述步驟S42)包括：計算出應向所述逆變器提供的脈寬調制信號，且提供所述脈寬調制信號至所述逆變器使其輸出的交流電的電壓及相位跟蹤所述旁路輸入端的交流電的電壓及相位。