CN103368231B - 一种不间断电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不间断电源电路,包括:双向选择开关、第一类双向变换器、第二类双向变换器、储能装置以及滤波装置,通过双向选择开关择一地连接交流电源和储能装置,第一类双向变换器设置在双向选择开关和滤波装置之间,第二类双向变换器设置在滤波装置和负载之间,第一类双向变换器和第二类双向变换器均具有整流或逆变的功能。采用双向变换器和双向选择开关,使得交流市电、储能装置和储能装置所需的充电器能够共用所述双向变换器,与现有的不间断电源电路相比,无需额外的充电器或大功率变换电路,从而降低了不间断电源电路的电路结构。

Description

一种不间断电源电路
技术领域
本发明涉及不间断电源技术领域,特别是涉及一种不间断电源电路。
背景技术
目前,我国仅有少数地区解决了电力紧张的问题,大部分地区和大城市还面临电力供应紧张的问题,供电质量更不能得到保证,市电无法满足对供电质量要求较高的电子设备的要求。
UPS(Uninterruptible Power System,不间断电源***)应运而生,UPS的作用是当市电供电停止时能够代替市电为负载提供电能,UPS内部含有储能装置,当市电异常或发生中断的情况下,UPS将储能装置内的电能通过逆变转换的方法向负载继续供电,以使负载维持正常工作。
通常UPS包括以下几部分:整流器、逆变器、充电电路和放电电路、储能装置,现有的一种UPS电路,将整流器兼作储能装置的放电电路使用,但仍需要充电电路,电路结构复杂;现有的另一种UPS电路,市电和储能装置分别使用两套独立的变换电路(整流器或逆变器),其中储能装置的充电电路和放电电路共用一套大功率电池变换电路,此种UPS电路需要大功率电池变换电路,导致UPS电路的结构复杂,且大功率电池变换电路的成本较高,综上,现有的UPS电路的结构复杂。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种不间断电源电路及其控制方法,以降低UPS电路的电路结构复杂度,技术方案如下:
第一方面,本申请提供一种不间断电源电路,包括:双向选择开关、第一类双向变换器、第二类双向变换器、储能装置、滤波装置,以及控制器;
所述双向选择开关的第一端连接所述第一类双向变换器的交流端,第二端择一地连接交流电源或所述储能装置,控制端连接控制器的第一输出端控制器;
所述第一类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,控制端连接所述控制器的第二输出端集合,所述第一类双向变换器的工作状态包括整流、逆变、升压或降压;
所述第二类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,交流端连接负载,控制端连接所述控制器的第三输出端集合,所述第二类双向变换器的工作状态包括逆变或整流;
所述控制器,用于当所述储能装置需要充电时,输出控制所述双向选择开关连接至所述储能装置的控制信号,且输出控制所述第一类双向变换器处于降压状态的控制信号,以及输出控制所述第二类双向变换器处于整流状态的控制信号;以及当所述储能装置放电时,输出控制所述双向选择开关连接至所述储能装置的控制信号,且输出控制所述第一类双向变换器处于升压状态的控制信号,以及输出控制所述第二类双向变换器处于逆变状态的控制信号。
在第一方面的第一种可能实现方式中,所述双向选择开关为继电器或双向晶闸管。
结合第一方面的第一种可能实现方式,在第一方面的第二种可能实现方式中,所述双向选择开关为单刀双掷继电器,所述单刀双掷继电器的第一动端连接所述交流电源,第二动端连接所述储能装置,不动端连接所述第一类双向变换器的交流端,线圈的两端连接所述控制器。
结合第一方面的第一种可能实现方式,在第一方面的第三种可能实现方式中,所述双向选择开关包括第一类双向选择开关和第二类双向选择开关;
所述第一类双向选择开关的第一端连接所述交流电源,第二端连接所述第一类双向变换器的交流端,控制端连接所述控制器;
所述第二类双向选择开关的第一端连接所述储能装置,第二端连接所述第一类双向变换器的交流端,控制端连接所述控制器。
结合第一方面的第三种可能实现方式,在第一方面的第四种可能实现方式中,所述第一类双向选择开关和所述第二类双向选择开关均为单掷继电器,所述单掷继电器的第一常开触点为所述双向选择开关的第一端,所述单掷继电器的第二常开触点为所述双向选择开关的第二端,所述单掷继电器的线圈的两端作为所述双向选择开关的控制端连接控制器。
结合第一方面的第三种可能实现方式,在第一方面的第五种可能实现方式中,所述第一类双向选择开关和所述第二类双向选择开关均为双向晶闸管时,所述双向晶闸管的第一端为所述双向选择开关的第一端,所述双向晶闸管的第二端为所述双向选择开关的第二端,所述双向晶闸管的门极为所述双向选择开关的控制端连接控制器。
结合第一方面的第三种可能实现方式、第一方面的第四种可能实现方式或第一方面的第五种可能实现方式,在第一方面的第六种可能实现方式中,当所述交流电源为三相交流电源时,所述第一类双向选择开关包括第一双向选择开关、第二双向选择开关和第三双向选择开关;所述第二类双向选择开关包括第四双向选择开关、第五双向选择开关和第六双向选择开关;所述第一类双向变换器包括第一双向变换器、第二双向变换器和第三双向变换器;所述第二类双向变换器包括第四双向变换器、第五双向变换器和第六双向变换器;
所述第一双向选择开关的第一端连接所述第一双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的A相,控制端连接控制器;
所述第二双向选择开关的第一端连接所述第二双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的B相,控制端连接控制器;
所述第三双向选择开关的第一端连接所述第三双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的C相,控制端连接所述控制器;
所述第四双向选择开关的第一端连接所述第一双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接控制器;
所述第五双向选择开关的第一端连接所述第二双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接控制器;
所述第六双向选择开关的第一端连接所述第三双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接所述控制器;
所述第一双向变换器、所述第二双向变换器和所述第三双向变换器的直流端均连接所述滤波装置;
所述第四双向变换器、所述第五双向变换器和所述第六双向变换器的直流端均连接所述滤波装置,交流端均连接负载;
所述控制器用于,分别控制A相、B相和C相的交流电路连接的所述双向选择开关、所述第一类双向变换器和所述第二类双向变换器的状态,以单独控制A相交流电路、B相交流电路和C相交流电路的工作模式,所述工作模式包括交流供电模式、储能装置供电模式和储能装置充电模式。
在第一方面的第七种可能实现方式中,所述第一类双向变换器为半桥全控双向变换器,所述半桥全控双向变换器包括:第一开关管、第二开关管;
所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第二端连接得到的公共端,作为所述第一类双向变换器的交流端;
所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端均作为所述第一类双向变换器的直流端;
所述第一开关管和所述第二开关管的控制端作为所述第一类双向变换器的控制端。
在第一方面的第八种可能实现方式中,所述第一类双向变换器为I型双向变换器,所述I型三电平双向变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管和第二二极管;
所述第一开关管的第一端连接所述第二开关管的第二端,所述第二开关管的第一端连接所述第三开关管的第二端,所述第三开关管的第一端连接所述第四开关管的第二端,所述第一开关管的第二端和所述第四开关管的第一端作为所述第一类双向变换器的直流端,所述第二开关管和所述第三开关管的公共端作为所述第一类双向变换器的交流端,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的控制端均连接所述控制器;
所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极,并连接所述滤波装置的零线端所述第一二极管的阴极连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端;所述第二二极管的阳极连接所述第三开关管和所述第四开关管的公共端。
在第一方面的第九种可能实现方式中,所述第一类双向变换器为T型双向变换器,所述T型双向变换器包括:第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管;
所述第一开关管的第一端连接所述第二开关管的第二端,所述第一开关管和所述第二开关管的公共端作为所述第一类双向变换器的交流端,所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端作为所述第一类双向变换器的直流端;
所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端,所述第四开关管的第二端连接所述滤波装置的零线端;
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和所述第四开关管的控制端均连接控制器。
结合第一方面的第八种可能实现方式或第一方面的第九种可能实现方式,在第一方面的第十种可能实现方式中,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管或第四开关管均为绝缘栅双极晶体管或金属-氧化层-半导体-场效应管;
所述绝缘栅双极晶体管的发射极为第一端、集电极为第二端,栅极为控制端;所述金属-氧化层-半导体-场效应管的源极为第一端、漏极为第二端,栅极为控制端。
结合第一方面的第一种可能实现方式至第一方面的第五种可能实现方式、第一方面的第七种可能实现方式至第一方面的第九种可能实现方式中的任意一种实现方式,在第一方面的第十一种实现方式中,所述滤波装置包括第一电容和第二电容,所述第一电容的负极连接所述第二电容的正极,并连接交流零线端,所述第一电容的正极和所述第二电容的负极连接作为滤波装置的两端连接所述第一类双向变换器和所述第二类双向变换器。
本发明提供的不间断电源电路,包括双向选择开关、第一类双向变换器、第二类双向变换器、储能装置和滤波装置,双向选择开关的第一端连接第一类双向变换器的交流端,第二端择一地连接交流电源或储能装置,其中,第一类双向变换器具有整流、逆变、升压、降压的功能。当储能装置需要充电时,滤波装置两端的电压经过第一类双向变换器进行降压后提供给储能装置,此时,第一类双向变换器充当了储能装置的充电器,因此,本申请提供的不间断电源电路无需额外设置充电器或大功率电池变换电路,从而简化了不间断电源电路的电路结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种单相UPS电路的电路原理示意图;
图2为本发明提供的一种三相UPS电路的电路原理示意图;
图3为图2所示电路处于交流供电模式时的工作原理示意图;
图4a为图2所示电路处于部分相供电、剩余相充电模式时的工作原理示意图;
图4b为图2所示电路处于部分相供电、剩余相充电模式时的另一种工作原理示意图;
图5为图2所示电路处于储能装置充/放电模式时的工作原理示意图;
图6为本发明实施例提供的一种三相UPS电路的部分结构示意图;
图7为本发明实施例提供的另一种三相UPS电路的部分结构示意图;
图8为本发明实施例提供的另一种三相UPS电路的部分结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参见图1,示出了本申请提供的一种单相UPS电路的原理框图。
所述UPS电路包括双向选择开关1、第一双向变换器2、滤波装置3、第二双向变换器4和储能装置5,所述双向选择开关1可以为单刀双掷继电器、两个继电器或两个双向晶闸管实现。
双向选择开关1的一端连接第一双向变换器2的交流端,另一端择一地连接交流电源6和储能装置5,具体的,图1所示的双向选择开关为单掷双刀开关实现,动端连接第一双向变换器2的交流端,第一不动端连接交流电源6,第二不动端连接储能装置,控制端连接控制器的第一输出端,通过控制器(图中未示出)输出的控制信号控制动端的动作,从而实现将交流电源6或储能装置5接入UPS电路。
其中,交流电源可以为单相交流电源、两相交流电源或三相交流电源,其中,两相交流电源可以是独立的两相交流电源,也可以是三相交流电源中的两相交流电供电,另一相异常的状态。
第一双向变换器2的直流端连接滤波装置3的两端,控制端连接控制器的第二输出端集合,通过控制器输出的控制信号控制第一双向变换器的工作状态,具体的,该第一双向变换器具有整流、逆变、升压、降压四种工作状态。
第二双向变换器4的直流端连接滤波装置3的两端,交流端连接负载7,控制端连接控制器的第三输出端集合,通过控制器输出的控制信号控制第二双向变换器的工作状态,第二双向变换器4具有整流、逆变两种工作状态。
滤波装置3通过电容实现,主要作用是滤除干扰信号,还具有短时储能的作用,当交流电源和储能装置切换时,中间有短暂间断时间,此时,通过滤波装置短时间为负载供电。
本实施例提供的UPS电路的工作过程如下:
交流电源正常供电时,交流电源输出的交流电通过第一双向变换器进行整流之后,在滤波装置3的两端产生直流电压+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压经过第二双向变换器进行逆变之后,得到交流电提供给负载7。
交流电回流过程,所述UPS电路连接负载具有能量反灌特性时,负载作为能量源,交流电网侧为负载,负载侧的能量经过第二双向变换器进行整流后,在滤波装置3的两端产生直流电压+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压经过第一双向变换器进行逆变之后,得到交流电提供给交流电网,从而实现能量从负载侧流向交流电网侧,提高了能量的利用率。
当交流电源供电异常时,由储能装置供电,储能装置输出的直流电通过第一双向变换器进行升压之后,在滤波装置3的两端得到直流电压+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压经过第二双向变换器进行逆变之后,得到交流电提供给负载7。
储能装置充电时,储能装置两端的母线+BUS和-BUS作为能量源,即滤波装置3的两端得到直流电压+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压经过第一双向变换器2进行降压后,给电池充电,且充电功率与现有的额外增加充电器电路的UPS电路相比,充电功率较高,充电能力与交流电源的主功率相当。其中,所述母线+BUS和-BUS上的能量可以是交流电源通过第一双向变换器提供,还可以是第二双向变换器从负载中获得,此时的负载需具有能量反灌特性,即能够将能量反向提供给第二双向变换器。
需要说明的是,通过控制器输出的控制信号控制第一双向变换器和第二双向变换器的不同工作状态之间的切换过程,通过改变第一双向变换器和第二双向变换器内的开关管的工作状态,最终改变双向变换器的工作状态。
本实施例提供的单相UPS电路,采用的第一双向变换器和第二双向变换器均具有能量双向流动的功能,通过双向选择开关将交流电源和储能装置择一地与同一双向变换器相连,使交流电源或储能装置与双向变换器连接,实现交流电源与储能装置共用一个双向变换器,且无需额外增加充电器,因此,降低了UPS电路的电路结构。
请参见图2,示出了本申请实施例一种三相UPS电路的结构示意图。
所述三相UPS电路包括三个图1所示的单相UPS电路,具体包括:第一双向选择开关21、第二双向选择开关22、第三双向选择开关23,第一双向变换器24、第二双向变换器25、第三双向变换器26、第四双向变换器27、第五双向变换器28、第六双向变换器29,储能装置30和滤波装置210。
具体的,第一双向选择开关21、第二双向选择开关22和第三双向选择开关23具体可以通过单刀双掷型继电器、或者两个独立的继电器,或两个独立的双向晶闸管实现,图2中的双向选择开关利用单刀双掷开关示意采用单刀双掷型继电器的结构原理,可以通过控制器输出的控制信号控制双向选择开关的通断状态。
第一双向选择开关21的第一不动端连接交流电源(电网)的A相,第二不动端连接储能装置30,动端连接第一双向变换器24的交流端;
第二双向选择开关22的第一不动端连接交流电源的B相,第二不动端连接储能装置30,动端连接第二双向变换器25的交流端;
第三双向选择开关23的第一不动端连接交流电源的C相,第二不动端连接储能装置30,动端连接第三双向变换器26的交流端。
第一双向变换器24、第二双向变换器25、第三双向变换器26、第四双向变换器27、第五双向变换器28和第六双向变换器29的直流端均并联于滤波装置210的两端。
第四双向变换器27、第五双向变换器28和第六双向变换器29的交流端均连接负载211。
本实施例中的第一双向变换器24、第二双向变换器25和第三双向变换器26为第一类双向变换器,此类双向变换器具有整流、逆变、升压、降压四种工作状态。第四双向变换器27、第五双向变换器28和第六双向变换器29为第二类双向变换器,具有逆变和整流两种工作状态。
第一类双向变换器和第二类双向变换器均可通过半桥全控变换器、T型三电平变换器和I型三电平变换器实现,而且,第一类双向变换器逆变和整流功能的控制方式与第二类双向变换器逆变和整流功能的控制方式相同。
第一类双向变换器的升压、降压功能,通过控制器输出不同占空比的脉冲控制信号控制双向变换器内的开关管的导通时间,最终实现双向变换器的升压、降压功能。
本实施例提供的三相UPS电路中,三相电路均采用双向选择开关择一地将交流电源和储能装置接入UPS电路中,且能够独立控制三相电路上的三个双向选择开关的闭合和关断的状态,即能够独立控制A相、B相和C相三个电路的工作模式,也即A相、B相和C相三个电路的工作模式可以任意组合。其中,所述工作模式包括:交流电源供电模式、储能装置供电模式和交流电源部分相供电,剩余相为储能装置充电的模式。
本实施将着重对BUS母线之前的部分进行详细介绍,后级的第二类双向变换器的工作过程和图1对应的实施例中的第二双向变换器的工作原理完全相同,此处不再详细介绍。
下面将结合附图对三相UPS电路的不同工作模式的组合进行详细介绍:
1、交流供电的工作模式下
请参见图3,示出了图2所示的三相UPS电路均工作于交流供电的工作模式的工作原理图。
如图3所示,每一相电路中的双向选择开关均由两个独立的单掷继电器实现,具体的,A相电路中通过第一继电器311连接A相交流电源,通过第二继电器312连接储能装置30;B相电路中通过第三继电器313连接B相交流电源,通过第四继电器314连接储能装置30;C相电路中通过第五继电器315连接C相交流电源,通过第六继电器连接储能装置30。
需要说明的是,三个相的电路中的继电器通过电感L连接第一类双向变换器,电感L用于滤波并储存能量,后面的附图中同样包括电感L,下面将不再详细介绍。
A、B、C三相电路中的第一类双向变换器均采用半桥全控变换器实现,即两个串联连接的开关管实现,具体的开关管可以是IGBT、MOSFET等双向半导体器件。
当负载较大,且交流电源能够正常供电时,交流电源的A相、B相和C相均处于交流供电模式,控制器控制第一继电器311、第三继电器313和第五继电器315的常开触点闭合,即将A相、B相和C相电路均连接交流电源,具体的工作过程如下:
A相输出的交流电经过第一继电器后输入至第一双向变换器,经过第一双向变换器进行整流之后,在滤波装置210的两端得到+bus电压和-bus电压,经过后级的双向变换器进行逆变之后提供给负载;
B相输出的交流电经过第三继电器后输入至第二双向变换器,经过第二双向变换器进行整流之后,在滤波装置210的两端得到+bus电压和-bus电压,经过后级的双向变换器进行逆变之后提供给负载;
C相输出的交流电通过第五继电器后输入至第三双向变换器,经过第三双向变换器进行整流之后,在滤波装置210的两端得到+bus电压和-bus电压,经过后级的双向变换器进行逆变之后提供给负载。
若UPS电路连接的负载具有能量反灌特性时,后级的负载通过第二类双向变换器进行整流后,输送至滤波装置的两端,再通过第一类双向变换器进行逆变后把能量返回给交流电源(电网),此过程即交流电回流过程。
2、三相UPS电路工作于部分相供电,剩余相充电的模式
需要说明的是,为了更清楚的在图中示意出三相电路的,图4a-图5所示的A、B、C三相连接的滤波装置(图中的+BUS和-BUS之间电容)为同一滤波装置。
请参见图4a和图4b,示出了图2所示的三相UPS电路工作于交流电源的部分相供电,剩余相充电的模式对应的工作原理图,此图中的三相UPS电路的电路结构与图3所示的电路结构相同,此处不再赘述。
当负载较小,交流电源的两相或一相电路即可满足负载的能量需求时,剩余相的能量可转到储能装置通道,从而为储能装置充电。
①交流电源的三相电路中的两相交流电源为负载供电,剩余的一相交流电路中的第一类双向变换器为储能装置充电。
具体的,如图4a所示,三相电路中的A相交流电源和B相交流电源为负载供电,C相电路中的第一类双向变换器为储能装置充电,此时,控制器控制第一继电器311、第三继电器313和第六继电器316的常开触点闭合,即A相和B相的交流电源接通,C相电路连接储能装置,双向选择开关后级的电路的具体工作过程如下:
A相输出的交流电经过第一继电器后,提供给第一双向变换器进行整流之后,在滤波装置两端连接的+BUS母线、-BUS母线上得到+bus电压、-bus电压,经过后级的双向变换器进行逆变之后为负载供电;
B相输出的交流电经过第三继电器后,提供给第二双向变换器进行整流之后,在所述+BUS母线和-BUS母线上得到+bus电压和-bus电压,经过后级的第五双向变换器进行逆变之后为负载供电;
C相电路中的第六双向变换器从滤波装置两端的母线上获取电能,进行逆变后为负载供电。同时,前级的第三双向变换器从滤波装置两端的母线上获取电能,进行降压后给储能装置充电,即C相电路中前级的第三双向变换器给储能装置充电,后级的第六双向变换器给负载供电。
此种工作模式下,A相交流电和B相交流电为母线BUS供电,A、B、C三相电路同时给负载供电,同时,C相的前级电路给储能装置充电,故此工作模式下的负载的功率不能太大。
需要说明的是,本实施例中三相电路中的任意两相交流电为负载供电,剩余一相为储能装置充电均可,图4a所示仅是一种具体的实例不能造成对本申请的限制。
②三相交流电路中的一相为负载供电,剩余两相为储能装置充电。
具体的,如图4b所示,三相电路中的A相电路为负载供电,B相和C相电路为储能装置充电,此时,控制器控制第一继电器311、第四继电器314和第六继电器316的常开触点闭合,即A相电路连接A相交流电源,B相和C相连接储能装置,双向选择开关后级的电路的具体工作过程如下:
A相输出的交流电经过第一继电器311输送至第一双向变换器进行整流后,在滤波装置的两端母线BUS上得到+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压经过第四双向变换器进行逆变后提供给负载;
B相电路中的第五双向变换器从母线BUS上取电,进行逆变后为负载供电。同时,前级的第二双向变换器从母线BUS上取电,为储能装置充电;
同理,C相电路中的第六双向变换器从母线BUS上取电,经过第六双向变换器进行逆变之后为负载供电;同时,前级的第三双向变换器从母线BUS上取电给储能装置充电。
此工作模式下,A相交流电为母线BUS供电,A、B、C三相电路同时给负载供电,同时,B相电路和C相电路给储能装置充电,故此种工作模式下的负载功率不能太大。
需要说明的是,本实施例中三相电路中的任意一相交流电为负载供电,剩余两相为储能装置充电均可,图4b所示仅是一种具体的实例不能造成对本申请的限制。
此种工作模式下,负载越小,储能装置的充电功率越大,最大充电功率能够达到供电功率相当。
本实施例中的三相UPS电路的三个相电路能够处于不同的工作状态,当负载需要的能量不大时,可以使三个相电路中的部分相工作于交流电供电的状态下,剩余相工作于为储能装置充电的状态下,避免了输入电网的电能浪费,最大程度地提高了输入电网的利用率。
3、储能装置放电工作模式
请参见图5,示出了图2所示的三相UPS电路工作于储能装置充/放电的工作模式时的工作原理图。
A:储能装置放电模式,当三相交流电源供电异常时,由储能装置放电对负载进行供电,保证负载供电正常,具体可以分为以下几种情况:
①A、B、C三相交流电都异常时,A相、B相和C相三相电路均工作于储能装置放电模式,此时,控制器控制第二继电器、第四继电器和第六继电器的常开触点闭合,A相、B相和C相三相电路均将储能装置接入电路中,具体的工作过程具体如下:
储能装置输出的电能经过第二类双向选择开关(A、B、C三相分别通过第二继电器、第四继电器和第六继电器)分别提供给第一双向变换器、第二双向变换器和第三双向变换器进行整流后,在滤波装置的两端产生+bus电压和-bus电压,+bus电压和-bus电压通过第四双向变换器、第五双向变换器和第六双向变换器进行逆变后,提供给负载。
②交流电源的部分相供电异常时,供电异常相的电路工作于储能装置放电模式,供电正常相的电路工作于交流供电模式;
具体的,假设仅有A相交流电供电异常,此时,控制器控制A相交流电路中第二继电器的常开触点闭合,使储能装置30为负载供电,具体的供电过程与上述的三相交流电均处于供电异常状态时的储能装置供电过程相似,此处不再赘述。
同理,仅有B相或C相交流电供电异常,或者A相、B相、C相中的任一相交流电供电异常时,储能装置的放电过程与A相交流电供电异常时储能装置的放电管过程相似,此处不再一一叙述。
B,储能装置充电模式
①三相交流电源的三相电路均正常时,部分相的电路工作于交流供电的状态,剩余相可以为储能装置充电,具体的工作过程与上述的三相UPS电路工作于部分相供电,剩余相充电的模式的工作过程相同,此处不再赘述。
②三相交流电源的三个相均处于交流供电异常状态时,三相的第一类双向变换器均充当充电器,此时,三相电路中的第二类双向变换器从负载取电,经过第二类双向变换器进行整流后,在母线+BUS和-BUS上产生+bus电压和-bus电压,并经过前级的第一类双向变换器进行降压后为储能装置充电。此时,A相、B相和C相三个电路均处于充电状态,充电功率达到最大值。
上述任一项实施例中的任意一个双向选择开关均可通过单刀双掷型继电器、两个独立的单掷继电器或两个独立的双向晶闸管实现。
其中,双向选择开关通过两个独立的单掷继电器实现的示意图具体参见图3-图5,具体的,参见图3以A相电路连接的第一继电器和第二继电器为例进行说明,其他相的继电器的连接关系与A相电路的继电器的连接关系相同,此处不再赘述。
第一继电器311的第一常开触点连接A相交流电源,第二常开触点连接第一双向变换器的交流端,线圈连接控制器,控制器通过控制线圈的得电与否,控制第一继电器的常开触点闭合或断开,进而控制接入A相电路的电源的类型,交流电源或储能装置。
第二继电器312的第一常开触点连接储能装置,第二常开触点连接第一双向变换器的交流端,线圈连接控制器。
如图6所示,示出了本申请实施例另一种三相UPS电路的部分结构示意图,与图3所示的电路不同的是,双向选择开关通过双向晶闸管实现,A、B、C三相电路均包括两个双向晶闸管,其中,一个双向晶闸管与交流电源连接,另一个双向晶闸管与储能装置连接,以实现将交流电源和储能装置择一地接入UPS电路中,下面以A相电路为例进行说明,B相电路和C相电路与A相相同,此处不再赘述。
第一双向晶闸管SCR1的第一端连接A相交流电源,第二端连接第一双向变换器的交流端,控制端连接控制器,通过控制器输出的控制信号控制第一双向晶闸管的导通或关断。
第二双向晶闸管SCR2的第一端连接B相交流电源,第二端连接第二双向变换器的交流端,控制端连接控制器。
如图6所示,本实施例中的双向变换器具体采用半桥全控变换器实现。
具体的,以A相电路为例进行说明,B、C两相的电路结构与A相相同。所述半桥全控变换器包括第一开关管Q1和第二开关管Q2,本实施例中的Q1和Q2具体为N沟道的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,金属-氧化物-半导体-场效应晶体管),Q1和Q2串联后并联与滤波装置的两端,具体的,Q1的源极连接Q2的漏极,Q1的漏极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的正极,Q2的源极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的负极,Q1和Q2的公共端作为双向变换器的交流端连接双向选择开关。
Q1和Q2的栅极连接控制器的不同的信号输出端,控制器输出两个控制信号分别控制Q1和Q2的导通和关断状态。具体的,控制Q1和Q2交替导通,从而实现整流、逆变功能,通过控制器输出的不同占空比的脉冲控制信号控制双向变换器内的开关管的导通时间实现升压或降压。
本实施例提供的双向变换器采用半桥全控变换器,其器件组成较少,成本低,控制方式简单。
如图7所示,示出了本申请实施例另一种三相UPS电路的结构示意图,其中的双向变换器采用I型三电平变换器实现,所述I型三电平变换器包括:第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4,第一二极管D1和第二二极管D2,图8所示的Q1~Q4均为N沟道的MOSFET管且MOSFET管的漏极和源极之间连接二极管,具体的二极管的阴极连接漏极,阳极连接源极。
Q1、Q2、Q3和Q4依次串联,具体的,Q1的源极连接Q2的漏极,Q2的源极连接Q3的漏极,Q3的源极连接Q4的漏极,Q1的漏极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的正极,Q4的源极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的负极,Q2和Q3的公共端作为双向变换器的交流端连接双向选择开关。
Q1~Q4的栅极均连接控制器,控制器输出的控制信号分别控制四个管的导通和关断状态。
具体的,当双向变换器的交流端的电压处于正半周时,控制Q1和Q3互补导通(即Q1导通时,Q3截止;Q1截止时,Q3导通),同时,控制Q2一直处于导通状态,Q4一直处于截止状态;
当双向变换器的交流端的电压处于负半周时,控制Q2和Q4互补导通,同时,控制Q3一直处于导通状态,Q1一直处于截止状态,最终实现整流、逆变;通过控制器输出的不同占空比的脉冲控制信号控制双向变换器内的开关管的导通时间实现升压、降压的功能。
D1的阴极连接Q1和Q2的公共端,阳极连接零线,D2的阴极连接零线,阳极连接Q3和Q4的公共端。
本实施例提供的三相UPS电路采用I型三电平变换器实现,I型三电平变换器具有开关管开关损耗小的优点,适用于开关频率较高的UPS电路中。
如图8所示,示出了本申请实施例另一种三相UPS电路的结构示意图,其中,双向变换器采用T型三电平变换器实现,所述T型三电平变换器包括:第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4,Q1~Q4均为N沟道的MOSFET管,且MOSFET管的漏极和源极之间连接二极管,具体的二极管的阴极连接漏极,阳极连接源极。
Q1和Q2串联后并联于滤波装置的两端,具体的,Q1的源极连接Q2的漏极,Q1的漏极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的正极,Q2的源极作为双向变换器的一个直流端连接滤波装置的负极,Q1和Q2的公共端作为双向变换器的交流端连接双向选择开关;
Q3的漏极连接Q4的源极,Q3的源极连接Q1和Q2的公共端,Q4的漏极连接零线。
Q1~Q4的栅极均连接控制器,控制器输出的控制信号分别控制四个管的导通和关断状态,具体的,当双向变换器的交流端的电压处于正半周时,控制Q1和Q4互补导通,同时,控制Q3一直处于导通状态,控制Q2一直处于截止状态;
当双向变换器的交流端的电压处于负半周时,控制Q2和Q3互补导通,控制Q4一直处于导通状态,Q1一直处于截止状态,最终实现整流、逆变功能;通过控制器输出的不同占空比的脉冲控制信号控制双向变换器内的开关管的导通时间实现升压、降压的功能。
本实施例提供的三相UPS电路采用T型三电平变换器实现,T型三电平变换器中的开关管的耐压等级较高,导通损耗小,因此适用于开关频率不高的UPS电路中。
本领域技术人员可以理解的是,以上实施例中的开关管均可以采用P沟道的MOSFET管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)等其他形式的双向半导体器件实现。
相应于上述的不间断电源电路的实施例,本申请还提供一种不间断电源电路控制方法,所述不间断电源电路包括双向选择开关、第一类双向变换器、第二类双向变换器、储能装置、滤波装置和控制器,所述双向选择开关的第一端连接所述第一类双向变换器的交流端,第二端择一地连接交流电源或所述储能装置,控制端连接控制器的第一端;所述第一类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,控制端连接所述控制器的第二输出端集合,所述第一类双向变换器具有整流、逆变、升压或降压功能;所述第二类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,交流端连接负载,控制端连接所述控制器的第三输出端集合,所述第二类双向变换器具有整流或逆变功能;
所述方法包括:当所述储能装置需要充电时,控制所述双向选择开关连接所述储能装置,并控制所述第一类双向变换器处于降压状态,以及控制所述第二类双向变换器处于整流状态;
当所述储能装置放电时,控制所述双向选择开关连接所述储能装置,并控制所述第一类双向变换器处于升压状态,以及控制所述第二类双向变换器处于逆变状态。
以上所述仅是本发明的具体实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种不间断电源电路,其特征在于,包括:双向选择开关、第一类双向变换器、第二类双向变换器、储能装置、滤波装置,以及控制器;
所述双向选择开关的第一端连接所述第一类双向变换器的交流端,第二端择一地连接交流电源或所述储能装置,控制端连接控制器的第一输出端集合;
所述第一类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,控制端连接所述控制器的第二输出端集合,所述第一类双向变换器的工作状态包括整流、逆变、升压或降压;
所述第二类双向变换器的直流端连接所述滤波装置,交流端连接负载,控制端连接所述控制器的第三输出端集合,所述第二类双向变换器的工作状态包括逆变或整流;
所述控制器,用于当所述储能装置需要充电时,输出控制所述双向选择开关连接至所述储能装置的控制信号,且输出控制所述第一类双向变换器处于降压状态的控制信号,以及输出控制所述第二类双向变换器处于整流状态的控制信号;以及当所述储能装置放电时,输出控制所述双向选择开关连接至所述储能装置的控制信号,且输出控制所述第一类双向变换器处于升压状态的控制信号,以及输出控制所述第二类双向变换器处于逆变状态的控制信号。
2.根据权利要求1所述的不间断电源电路,其特征在于,所述双向选择开关为继电器或双向晶闸管。
3.根据权利要求2所述的不间断电源电路,其特征在于,所述双向选择开关为单刀双掷继电器,所述单刀双掷继电器的第一动端连接所述交流电源,第二动端连接所述储能装置,不动端连接所述第一类双向变换器的交流端,线圈的两端连接所述控制器。
4.根据权利要求2所述的不间断电源电路,其特征在于,所述双向选择开关包括第一类双向选择开关和第二类双向选择开关;
所述第一类双向选择开关的第一端连接所述交流电源,第二端连接所述第一类双向变换器的交流端,控制端连接所述控制器;
所述第二类双向选择开关的第一端连接所述储能装置,第二端连接所述第一类双向变换器的交流端,控制端连接所述控制器。
5.根据权利要求4所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一类双向选择开关和所述第二类双向选择开关均为单掷继电器,所述单掷继电器的第一常开触点为所述双向选择开关的第一端,所述单掷继电器的第二常开触点为所述双向选择开关的第二端,所述单掷继电器的线圈的两端作为所述双向选择开关的控制端连接控制器。
6.根据权利要求4所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一类双向选择开关和所述第二类双向选择开关均为双向晶闸管时,所述双向晶闸管的第一端为所述双向选择开关的第一端,所述双向晶闸管的第二端为所述双向选择开关的第二端,所述双向晶闸管的门极为所述双向选择开关的控制端连接控制器。
7.根据权利要求4-6任一项所述的不间断电源电路,其特征在于,当所述交流电源为三相交流电源时,所述第一类双向选择开关包括第一双向选择开关、第二双向选择开关和第三双向选择开关;所述第二类双向选择开关包括第四双向选择开关、第五双向选择开关和第六双向选择开关;所述第一类双向变换器包括第一双向变换器、第二双向变换器和第三双向变换器;所述第二类双向变换器包括第四双向变换器、第五双向变换器和第六双向变换器;
所述第一双向选择开关的第一端连接所述第一双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的A相,控制端连接控制器;
所述第二双向选择开关的第一端连接所述第二双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的B相,控制端连接控制器;
所述第三双向选择开关的第一端连接所述第三双向变换器的交流端,第二端连接所述三相交流电源的C相,控制端连接所述控制器;
所述第四双向选择开关的第一端连接所述第一双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接控制器;
所述第五双向选择开关的第一端连接所述第二双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接控制器;
所述第六双向选择开关的第一端连接所述第三双向变换器的交流端,第二端连接所述储能装置,控制端连接所述控制器;
所述第一双向变换器、所述第二双向变换器和所述第三双向变换器的直流端均连接所述滤波装置;
所述第四双向变换器、所述第五双向变换器和所述第六双向变换器的直流端均连接所述滤波装置,交流端均连接负载;
所述控制器用于,分别控制A相、B相和C相的交流电路连接的所述双向选择开关、所述第一类双向变换器和所述第二类双向变换器的状态,以单独控制A相交流电路、B相交流电路和C相交流电路的工作模式,所述工作模式包括交流供电模式、储能装置供电模式和储能装置充电模式。
8.根据权利要求1所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一类双向变换器为半桥全控双向变换器,所述半桥全控双向变换器包括:第一开关管、第二开关管;
所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第二端连接得到的公共端,作为所述第一类双向变换器的交流端;
所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端均作为所述第一类双向变换器的直流端;
所述第一开关管和所述第二开关管的控制端作为所述第一类双向变换器的控制端。
9.根据权利要求1所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一类双向变换器为I型双向变换器,所述I型三电平双向变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管和第二二极管;
所述第一开关管的第一端连接所述第二开关管的第二端,所述第二开关管的第一端连接所述第三开关管的第二端,所述第三开关管的第一端连接所述第四开关管的第二端,所述第一开关管的第二端和所述第四开关管的第一端作为所述第一类双向变换器的直流端,所述第二开关管和所述第三开关管的公共端作为所述第一类双向变换器的交流端,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的控制端均连接所述控制器;
所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极,并连接所述滤波装置的零线端所述第一二极管的阴极连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端;所述第二二极管的阳极连接所述第三开关管和所述第四开关管的公共端。
10.根据权利要求1所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一类双向变换器为T型双向变换器,所述T型双向变换器包括:第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管;
所述第一开关管的第一端连接所述第二开关管的第二端,所述第一开关管和所述第二开关管的公共端作为所述第一类双向变换器的交流端,所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端作为所述第一类双向变换器的直流端;
所述第三开关管的第二端连接所述第四开关管的第一端,所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端,所述第四开关管的第二端连接所述滤波装置的零线端;
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和所述第四开关管的控制端均连接控制器。
11.根据权利要求9或10所述的不间断电源电路,其特征在于,所述第一开关管、第二开关管、第三开关管或第四开关管均为绝缘栅双极晶体管或金属-氧化层-半导体-场效应管;
所述绝缘栅双极晶体管的发射极为第一端、集电极为第二端,栅极为控制端;所述金属-氧化层-半导体-场效应管的源极为第一端、漏极为第二端,栅极为控制端。
12.根据权利要求1-6、8-10任一项所述的不间断电源电路,其特征在于,所述滤波装置包括第一电容和第二电容,所述第一电容的负极连接所述第二电容的正极,并连接交流零线端,所述第一电容的正极和所述第二电容的负极连接作为滤波装置的两端连接所述第一类双向变换器和所述第二类双向变换器。
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