一種整流系統及其控制方法與流程
2024-03-02 06:10:15
本發明涉及整流器技術領域，特別是涉及一種整流系統及其控制方法。
背景技術：
近年來，高頻UPS(不間斷電源)已經大量使用維也納整流器技術。
整流器電路與逆變器連接，將市電的交流電壓轉換升壓成正負母線上的直流電壓，母線電壓同時給逆變器供電。由於市電為正弦交流電，當市電正常且處於正半周期時，整流器對輸入電壓進行整流並升壓為正母線電壓；當市電正常且處於負半周期時，整流器對輸入電壓進行整流並升壓為負母線電壓；而當市電電壓異常時，斷開市電供電電路，改由後備電池放電，為母線供電。但是，維也納整流器相對於兩電平的整流器要多出很多的電路器件，同時，後備電池需要分為正負兩組，充電器電路也需要對正負兩個充電器進行充電，最常用的充電器拓撲為雙BUCK拓撲，採用雙BUCK拓撲的充電器需要大量的電路器件，相對單路BUCK充電多出了很多的器件，成本上升，控制也更加複雜，同時，由於成本的問題，充電器件不可能採用很大功率的器件，充電性能便受到了充電器器件的限制。
因此，如何降低整流器電路的充電成本，同時提高充電性能，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種整流系統及其控制方法，可以降低整流器電路的充電成本，同時提高充電性能。
為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：
一種整流系統，包括：第一整流模塊和第二整流模塊；所述第一整流模塊包括第一切換開關部、第一電池組開關部、第一儲能電感部、正電池組、第一開關器件部和第一充電開關管部；所述第二整流模塊包括第二切換開關部、第二電池組開關部、第二儲能電感部、負電池組、第二開關器件部和第二充電開關管部；
其中，所述第一切換開關部的輸入端和輸入交流電源連接，所述第一切換開關部的輸出端和第一電池組開關部的第一端以及第一儲能電感部的第一端連接，所述第一電池組開關部的第二端與正電池組的正極連接，所述正電池組的負極與直流母線中線端連接，所述第一儲能電感部的第二端分別與第一開關器件部的漏極端和第一充電開關管部的源極端連接，所述第一開關器件部的源極端與所述正電池組的負極連接，所述第一充電開關管部的漏極端與正母線的輸入端連接；
所述第二切換開關部的輸入端和所述輸入交流電源連接，所述第二切換開關部的輸出端和第二電池組開關部的第一端以及第二儲能電感部的第一端連接，所述第二電池組開關部的第二端與負電池組的負極連接，所述負電池組的正極與所述直流母線中線端連接，所述第二儲能電感部的第二端分別與第二開關器件部的源極端和第二充電開關管部的漏極端連接，所述第二開關器件部的漏極端與所述負電池組的正極連接，所述第二充電開關管部的源極端與負母線的輸入端連接；
所述正母線上設有正母線電容，所述負母線上設有負母線電容。
優選地，所述輸入交流電源為單相輸入交流電源，所述第一開關器件部、第一充電開關管部、第二開關器件部和第二充電開關管部均包括一個帶內置反向二極體的開關管。
優選地，所述輸入交流電源為三相輸入交流電源，所述第一切換開關部包括分別與所述三相輸入交流電源的三相輸出端對應連接的第一開關、第二開關和第三開關；所述第二切換開關部包括分別與所述三相輸入交流電源的三相輸出端對應連接的第四開關、第五開關和第六開關；所述第一電池組開關部包括與所述第一切換開關部的三個開關一一對應連接的第七開關、第八開關和第九開關；所述第二電池組開關部包括與所述第二切換開關部的三個開關一一對應連接的第十開關、第十一開關、第十二開關；所述第一儲能電感部包括三個與所述第一切換開關部的三個開關一一對應連接的儲能電感；所述第二儲能電感部包括三個與所述第二切換開關部的三個開關一一對應連接的儲能電感；所述第一開關器件部包括三個與所述第一儲能電感部的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管；所述第二開關器件部包括三個與所述第二儲能電感部的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管；所述第一充電開關管部包括三個與所述第一儲能電感部的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管；所述第二充電開關管部包括三個與所述第二儲能電感部的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管。
優選地，還包括：設置在所述三相輸入交流電源和第一整流模塊以及第二整流模塊之間的濾波模塊，所述濾波模塊包括分別與所述三相輸入交流電源的三相輸出端一一對應連接的三個濾波電感，各所述濾波電感背離所述三相輸入交流電源的一端分別與對應的保險部件連接，各所述保險部件背離對應濾波電感的一端和所述第一切換開關部及所述第二切換開關部的輸入端連接，各所述保險部件背離對應濾波電感的一端還分別和對應的濾波電容一一連接，各所述濾波電容背離對應的保險部件的一端和所述輸入交流電源的零線連接。
優選地，所述輸入交流電源為市電電源。
一種整流系統控制方法，用於上述的整流系統，所述整流系統中的輸入交流電源為單相電，所述方法包括：
判斷所述輸入交流電源的當前輸出狀態；
若判定所述輸入交流電源的當前輸出狀態為處於正半周期，則斷開所述第一整流模塊中的第一電池組開關部；以及，通過所述第一切換開關部、第一儲能電感部、第一開關器件部、第一充電開關管部對輸入電壓進行整流並升壓成正母線電壓；
若判定所述輸入交流電源的當前輸出狀態為處於負半周期，則斷開所述第二整流模塊中第二電池組開關部；以及，通過所述第二切換開關部、第二儲能電感部、第二開關器件部、第二充電開關管部對輸入電壓進行整流並升壓成負母線電壓。
優選地，還包括：
當判定所述輸入交流電源的當前輸出狀態處於正半周期時，斷開所述第一電池組開關部，閉合所述第二電池組開關部，所述輸入交流電源輸出的電能通過所述第一整流模塊這一升壓電路對正母線上的正母線電容提供能量，同時負母線上的負母線電容通過所述第二整流模塊對負電池組進行充電；
當判定所述輸入交流電源的當前輸出狀態處於負半周期時，閉合所述第一電池組開關部，斷開所述第二電池組開關部，所述輸入交流電源輸出的電能通過所述第二整流模塊這一升壓電路對負母線上的負母線電容提供能量，同時正母線上的正母線電容通過所述第一整流模塊對正電池組進行充電。
一種整流系統控制方法，用於上述的整流系統，所述整流系統中的輸入交流電源為三相電，所述方法包括：
判斷輸入交流電源的三相各自的輸出狀態；
當判定輸入交流電源A、B相處於正半周期，C相處於負半周期時，
A、B相通過所述第一開關、第四電感、第七開關管內的反向二極體、第一開關管、第二開關、第五電感、第八開關管內的反向二極體以及第二開關管給正母線進行供電；
C相通過所述第六開關、第七電感、第十二開關管內的反向二極體、第六開關管對負母線進行供電；
當判定輸入交流電源A、C相處於正半周期，B相處於負半周期時，
A、C相通過所述第一開關、第四電感、第七開關管內的反向二極體、第一開關管、第三開關、第六電感、第九開關管內的反向二極體、第三開關管給正母線進行供電；
B相通過第五開關、第八電感、第十一開關管內的反向二極體、第五開關管給負母線供電；
當判定輸入交流電源B，C相處於正半周期，A相處於負半周期時，
B，C相通過第二開關、第五電感、第八開關管內的反向二極體、第二開關管、第三開關、第六電感、第九開關管內的反向二極體、第三開關管給正母線供電；
A相通過第四開關、第九電感、第十開關管內的反向二極體、第四開關管給負母線供電；
當輸入交流電源A相處於正半周期，B、C相處於負半周期時，則A相給正母線供電，B、C相給負母線供電；
正母線通過B，C相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過A相整流電路給負電池組進行充電；
當輸入交流電源B相處於正半周期，A、C相處於負半周期時，則B相給正母線供電，A、C相給負母線供電；
正母線通過A、C相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過B相整流電路給負電池組進行充電；
當輸入交流電源C相處於正半周期，A、B相處於負半周期時，則C相給正母線供電，A、B相給負母線供電；
正母線通過A、B相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過C相整流電路給負電池組進行充電。
優選地，還包括：
當判定輸入交流電源A、B相處於正半周期，C相處於負半周期時，
閉合第九開關、第十一開關、第十二開關；
負母線通過整流系統A相的下半橋電路第十開關管、第四開關管的反向二極體、第九電感、第十二開關，B相的下半橋電路第十一開關管、第五開關管的反向二極體、第八電感、第十一開關共同對負電池組進行充電；
正母線通過整流系統C相的上半橋電路第九開關管、第三開關管的反向二極體、第六電感、第九開關對正電池組進行充電；
當判定輸入交流電源A、C相處於正半周期，B相處於負半周期時，
閉合第八開關、第十開關和第十二開關；
正母線通過B相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過A，C相整流電路給負電池組進行充電；
當判定輸入交流電源B，C相處於正半周期，A相處於負半周期時，
閉合第七開關、第十開關和第十一開關；
正母線通過A相整流電路給正電池組充電，負母線通過B，C相整流電路給負電池組進行充電；
當判定輸入交流電源A相處於正半周期，B、C相處於負半周期時，
閉合第八開關、第九開關和第十二開關；
正母線通過B，C相整流電路給正電池組進行充電；
負母線通過A相整流電路給負電池組進行充電；
當判定輸入交流電源B相處於正半周期，A、C相處於負半周期時，
閉合第七開關、第九開關和第十一開關；
正母線通過A、C相整流電路給正電池組進行充電；
負母線通過B相整流電路給負電池組進行充電；
當判定輸入交流電源C相處於正半周期，A、B相處於負半周期時，
閉合第七開關、第八開關和第十開關；
正母線通過A、B相整流電路給正電池組進行充電；
負母線通過C相整流電路給負電池組進行充電。
與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點：
本發明實施例所提供的整流系統，整流系統包括第一整流模塊和第二整流模塊，當輸入交流電源處於正半周期時，控制第一電池組開關部和第二電池組開關部中的開關進行相應的開閉，則輸入交流電源的交流電通過第一整流模塊這一升壓電路對正母線提供電能，同時負母線通過第二整流模塊可以對負電池組進行充電；反之，當輸入交流電源處於負半周期時，控制第一電池組開關部和第二電池組開關部中的開關進行相應的開閉，交流電通過第二整流模塊這一升壓電路為負母線提供電能，正母線通過第一整流模塊為正電池組進行充電。在充電過程中，採用整流系統自身的功率器件而無需再設計採用雙BUCK充電拓撲，將充電電路和整流器電路集成在了整流器電路上，大大簡化了硬體設計，降低了成本，也提高了充電功率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明一種具體實施方式所提供的整流系統結構示意圖；
圖2為本發明另一種具體實施方式所提供的整流系統結構示意圖。
具體實施方式
本發明的核心是提供一種整流系統及其控制方法，可以降低整流器電路的充電成本，同時提高充電性能。
為了使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式的限制。
請參考圖1，圖1為本發明一種具體實施方式所提供的整流系統結構示意圖。
本發明的一種具體實施方式提供了一種整流系統，包括：第一整流模塊和第二整流模塊，其中，第一整流模塊的第一切換開關部11的輸入端和輸入交流電源連接，優選輸入交流電源為市電電源，即第一切換開關部11和市電的火線連接，第一切換開關部11的輸出端和第一電池組開關部12的第一端以及第一儲能電感部13的第一端連接，第一電池組開關部12的第二端與正電池組14的正極連接，正電池組14的負極與直流母線中線端連接，第一儲能電感部13的第二端分別與第一開關器件部15的漏極端和第一充電開關管部16的源極端連接，第一開關器件部15的源極端與正電池組14的負極連接，第一充電開關管部16的漏極端與正母線的輸入端連接；第二整流模塊的第二切換開關部21的輸入端和輸入交流電源連接，第二切換開關部21的輸出端和第二電池組開關部22的第一端以及第二儲能電感部23的第一端連接，第二電池組開關部22的第二端與負電池組24的負極連接，負電池組24的正極與直流母線中線端連接，第二儲能電感部23的第二端分別與第二開關器件部25的源極端和第二充電開關管部26的漏極端連接，第二開關器件部25的漏極端與負電池組24的正極連接，第二充電開關管部26的源極端與負母線的輸入端連接。其中，正母線上設有正母線電容17，負母線上設有負母線電容27。
在本實施方式中，當輸入交流電源正常工作時，以輸入交流電源為單相輸入交流電源為例進行說明，其中，第一開關器件部、第一充電開關管部、第二開關器件部和第二充電開關管部均包括一個帶內置反向二極體的開關管。第一切換開關部、第二切換開關部、第一電池組開關部和第二電池組開關部均為一個開關。由於交流電為正弦交流電，其分為正半周期和負半周期，當輸入交流電源處於正半周期時，第一整流模塊中第一電池組開關部斷開，第一整流模塊除卻正電池組之外的第一切換開關部、第一儲能電感部、第一開關器件部、第一充電開關管部工作，並結合正母線上的正母線電容，對輸入電壓進行整流並升壓成正母線電壓；當輸入交流電源處於負半周期時，第二整流模塊中第二電池組開關部斷開，第二整流模塊除卻正電池組之外的第二切換開關部、第二儲能電感部、第二開關器件部、第二充電開關管部工作，並結合負母線上的負母線電容，對輸入電壓進行整流並升壓成負母線電壓。
而當需要對正電池組和負電池組進行充電時，無需再設計額外的充電電路。當輸入交流電源處於正半周期時，第一電池組開關部斷開，第二電池組開關部閉合，輸入交流電源輸出的電能通過第一整流模塊這一升壓電路對正母線上的正母線電容提供能量，同時負母線上的負母線電容通過此時的第二整流模塊對負電池組進行充電；當輸入交流電源處於負半周期時，第一電池組開關部閉合，第二電池組開關部斷開，輸入交流電源輸出的電能通過第二整流模塊這一升壓電路對負母線上的負母線電容提供能量，同時正母線上的正母線電容通過此時的第一整流模塊對正電池組進行充電。
需要說明的是，直流母線中線端指的是正母線和負母線的公共端，在實際電路中直流母線的中線端連接的是輸入交流電源的零線，輸入交流電源的火線端連接第一切換開關部的輸入端和第二切換開關部的輸入端。
在充電過程中，採用整流系統自身的功率器件而無需再設計採用雙BUCK充電拓撲，將充電電路和整流器電路集成在了整流器電路上，大大簡化了硬體設計，降低了成本，也提高了充電功率。
請參考圖2，圖2為本發明另一種具體實施方式所提供的整流系統結構示意圖。
在本發明的一種實施方式中，如圖2所示，以輸入交流電源為三相輸入交流電源為例進行說明，其中，第一切換開關部11包括分別與三相輸入交流電源的三相輸出端對應連接的第一開關S1、第二開關S2和第三開關S3；第二切換開關部21包括分別與三相輸入交流電源的三相輸出端對應連接的第四開關S4、第五開關S5和第六開關S6；第一電池組開關部12包括與第一切換開關部11的三個開關一一對應連接的第七開關S7、第八開關S8和第九開關S9；第二電池組開關部22包括與第二切換開關部21的三個開關一一對應連接的第十開關S10、第十一開關S11、第十二開關S12；第一儲能電感部13包括三個與第一切換開關部11的三個開關一一對應連接的儲能電感，分別為第四電感L4、第五電感L5和第六電感L6；第二儲能電感部23包括三個與第二切換開關部21的三個開關一一對應連接的儲能電感，分別為第七電感L7、第八電感L8和第九電感L9；第一開關器件部15包括三個與第一儲能電感部13的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管，分別為第一開關管Q1、第二開關管Q2和第三開關管Q3；第二開關器件部25包括三個與第二儲能電感部23的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管，分別為第四開關管Q4、第五開關管Q5和第六開關管Q6；第一充電開關管部16包括三個與第一儲能電感部13的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管，分別為第七開關管Q7、第八開關管Q8和第九開關管Q9；第二充電開關管部26包括三個與第二儲能電感部23的三個儲能電感一一對應連接的帶內置反向二極體的開關管，分別為第十開關管Q10、第十一開關管Q11和第十二開關管Q12。
在本實施方式中，優選該整流系統還包括：設置在三相輸入交流電源和第一整流模塊以及第二整流模塊之間的濾波模塊3，用於對三相輸入交流電源輸入第一整流模塊和第二整流模塊中的電流進行濾波，以抑制和防止幹擾信號，濾波模塊3包括分別與三相輸入交流電源的三相輸出端一一對應連接的三個濾波電感-第一電感L1、第二電感L2和第三電感L3；各濾波電感背離三相輸入交流電源的一端分別與對應的保險部件連接，即第一電感L1和第一保險部件F1連接，第二電感L2和第二保險部件F2連接，第三電感L3和第三保險部件F3連接，各保險部件背離對應濾波電感的一端和第一切換開關部11及第二切換開關部21的輸入端連接，即第一保險部件F1和第一開關S1以及第四開關S4連接，第二保險部件F2和第二開關S2以及第五開關S5連接，第三保險部件F3和第三開關S3以及第六開關S6連接；各保險部件背離對應濾波電感的一端還分別和對應的濾波電容一一連接，如圖2所示，第一保險部件F1和第一濾波電容C1連接，第二保險部件F2和第二濾波電容C2連接，第三保險部件F3和第三濾波電容C3連接，各濾波電容背離對應的保險部件的一端和輸入交流電源的零線連接。其中，優選各開關優選為開關SCR，選型為50TPS12；各開關管為開關IGBT。
在本實施方式中，三相交流市電之間相差120度相角，同一時刻，有兩相會同時是正半周或負半周，對應的，另外一相是負半周或正半周。
因此，共有6種情況：
一：當市電A、B相處於正半周，C相處於負半周時，A、B相通過第一開關S1、第四電感L4、第七開關管Q7內的反向二極體D13、第一開關管Q1、第二開關S2、第五電感L5、第八開關管Q8內的反向二極體D14以及第二開關管Q2給正母線進行供電。C相通過第六開關S6、第七電感L7、第十二開關管Q12內的反向二極體D18、第六開關管Q6對負母線進行供電。
同時，第九開關S9、第十一開關S11、第十二開關S12閉合，負母線通過整流系統A相的下半橋電路第十開關管Q10、第四開關管Q4的反向二極體、第九電感L9、第十二開關S12，B相的下半橋電路第十一開關管Q11、第五開關管Q5的反向二極體、第八電感L8、第十一開關S11共同對負電池組進行充電。正母線通過整流系統C相的上半橋電路第九開關管Q9、第三開關管Q3的反向二極體、第六電感L6、第九開關S9對正電池組進行充電。
二：當市電A、C相處於正半周，B相處於負半周時，A、C相通過第一開關S1、第四電感L4、第七開關管Q7內的反向二極體D13、第一開關管Q1、第三開關S3、第六電感L6、第九開關管內的反向二極體D15、第三開關管Q3給正母線進行供電。B相通過第五開關S5、第八電感L8、第十一開關管Q11內的反向二極體D17、第五開關管Q5給負母線供電。
以第一種情況相類比，則正母線通過B相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過A，C相整流電路給負電池組進行充電。
三：當市電B，C相處於正半周，A相處於負半周時，B，C相通過第二開關S2、第五電感L5、第八開關管內的反向二極體D14、第二開關管Q2、第三開關S3、第六電感L6、第九開關管內的反向二極體D15、第三開關管Q3給正母線供電。A相通過第四開關S4、第九電感L9、第十開關管Q10內的反向二極體D16、第四開關管Q4給負母線供電。
以上述情況相類比，正母線通過A相整流電路給正電池組充電，負母線通過B，C相整流電路給負電池組進行充電。
四：以上述三種情況進行類比，當市電A相處於正半周，B、C相處於負半周時，則A相給正母線供電，B，C相給負母線供電。正母線通過B，C相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過A相整流電路給負電池組進行充電。
五：當市電B相處於正半周，A、C相處於負半周時，則B相給正母線供電，A、C相給負母線供電。正母線通過A、C相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過B相整流電路給負電池組進行充電。
六：當市電C相處於正半周，A、B相處於負半周時，則C相給正母線供電，A、B相給負母線供電。正母線通過A、B相整流電路給正電池組進行充電，負母線通過C相整流電路給負電池組進行充電。
需要說明的是，當輸入交流電源為兩相電路時，工作原理也一致。
綜上所述，本發明實施方式分別以輸入交流電源為單相電和三相電為例對所提供的整流系統進行了說明，在上述各實施方式中，將充電電路集成在整流電路中，大大簡化充電電路，當需要充電時，充電部分借用了整流部分的功率器件，在理論上充電功率可以達到整流部分相同的功率，大大提高了充電能力。當輸入交流電源異常時，整流系統中的充電電路不需工作。在充電控制中，當輸入交流電源處於正半周期時，對負電池組進行充電，市電交流電處於負半周期時，對正電池組進行供電。此外，由於無需雙BUCK等充電電路，大大減少了硬體空間，提高了產品的功率密度。
以上對本發明所提供一種整流系統進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。