不間斷電源及其整流電路的製作方法
2023-04-30 13:37:06
專利名稱：不間斷電源及其整流電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電カ電子技術，更具體地說，涉及一種不間斷電源(UPS)及其整流電路。
背景技術：
隨著人們對數據保護需求的日益增加，UPS (Uninterruptible Power Supply,不間斷電源)獲得了越來越廣泛的使用。目前，大功率UPS常採用SCR (Silicon ControlledRectifier，可控矽)整流器，該SCR整流器將變化的輸入電壓通過全橋SCR整流器的移相削波調整後穩壓到蓄電池所需要的電壓，給蓄電池提供需要的充電電壓。SCR整流器由於其簡單，可靠，成本低，得到了長期廣泛的應用。圖I是現有技術的ー種UPS的電路圖，該UPS包括三相交流輸入源Source、開關CBl、電感LI、全橋SCR整流器SCRl、電容Cl、開關CB2、蓄電池Battery、逆變器INVl、電感Lout、交流濾波電容Filter Cap2。三相電壓源Source所輸出的交流電壓通過開關CBl送入到電感LI，通過全橋SCR整流器SCRl後穩壓到希望的直流電壓，電容Cl為平波電容，蓄電池Battery的兩端通過CB2開關連接到直流母線上。逆變器INVl再將直流電壓逆變出交流電壓，該交流電壓通過三相電感Lout和三相交流濾波電容Filter Cap2濾波,在輸出端得到交流電壓。但是，由於SCR管自身的特點，使流入全橋SCR整流器的諧波電流大，功率因數低，對電網和其他設備存在嚴重的幹擾，高頻的諧波電流不僅導致與該UPS相連的設備的誤動作，還造成諧波損耗。在要求綠色環保的今天，需要給SCR整流器的輸入端配上另外的無源或有源濾波器來減小諧波電流，這樣不僅體積大，重量重，而且增加了成本。另一種減小諧波電流的方法是使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)整流器來取代SCR整流器，以實現PF (Power Factor，功率因數)校正。但是，這樣做使得成本増加，效率降低。
發明內容
本發明要解決的技術問題在幹，針對現有技術的上述流入SCR整流器的諧波電流大、輸入功率因素低的缺陷，提供ー種整流電路，能減小交流輸入源的諧波電流，提高輸入功率因數，並且降低成本。根據本發明的一方面，提供了一種用於將電源輸出的交流電壓轉換為直流電壓的整流電路，該整流電路包括其輸入端連接所述電源的SCR整流器；其原邊連接所述電源和所述SCR整流器的輸入端的變壓器；高頻整流器，其輸入端連接所述變壓器的副邊，以及其輸出端串聯連接所述SCR整流器的輸出端以便通過所述SCR整流器和所述高頻整流器的串聯來輸出所述直流電壓；和整流控制器，其根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流和流入變壓器的原邊的電流之和計算流入整流電路的諧波電流，或者根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流計算流入SCR整流器的諧波電流，井根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流。本發明還構造ー種UPS，包括根據本發明的整流電路、蓄電池和逆變器，所述整流電路輸出的直流電壓為蓄電池充電，所述逆變器將整流電路輸出的直流電壓逆變為交流電。實施本發明的技術方案，整流控制器根據所檢測的流入整流電路的總輸入端的電流計算總輸入端的諧波電流，或者根據 流入SCR整流器的輸入端的電流計算流入SCR整流器的諧波電流，井根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流，所產生的諧波電流與所計算的諧波電流相加後為零，這樣就減小甚至消除總輸入端的諧波電流，提高了功率因數值，從而使總輸入端的電流大致上為正弦波電流。而且，由於通過串聯連接高頻整流器和SCR整流器來輸出直流電壓，因此高頻整流器不是滿功率變換，使得其體積和成本均較低。另外，通過使高頻整流器補償輸入的無功分量，可以使總輸入端的電流基本上為正弦波電流。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進ー步說明，附圖中圖I是現有技術的ー種UPS的電路圖；圖2是本發明UPS實施例一的邏輯圖；圖3是本發明UPS實施例ニ的邏輯圖；圖4是本發明UPS實施例三的電路圖；圖5是根據本發明ー實施例的整流控制器的邏輯圖。
具體實施例方式如圖2所示，在本發明UPS實施例一的邏輯圖中，該UPS包括整流電路、蓄電池和逆變器，在諸如三相交流輸入源的電源正常時，整流電路將電源輸出的交流電壓整流為直流電壓，該直流電壓為蓄電池充電，同吋，逆變器將整流電路輸出的直流電壓逆變為交流電，以給該UPS的負載(未示出)供電。下面著重說明該UPS的整流電路。在該UPS的整流電路中，包括有SCR整流器、變壓器、高頻整流器和整流控制器，電源的輸出端分別接SCR整流器的輸入端及變壓器的原邊，變壓器的副邊連接所述高頻整流器的輸入端，SCR整流器和高頻整流器串聯後輸出直流電壓。整流控制器連接電源和高頻整流器，該整流控制器檢測流入SCR整流器的輸入端和變壓器的原邊的電流之和(也稱為總輸入端的電流)，根據所檢測的總輸入端的電流計算總輸入端的諧波電流，例如，可通過傅立葉變換來計算諧波電流。關於諧波電流的計算方法，本領域技術人員可以根據實際需要來選擇，其細節不再贅述。在計算出諧波電流後，根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流，具體為該整流控制器把計算出的諧波電流求反後得到控制信號，通過輸出經該控制信號調製後的驅動脈衝來控制高頻整流器的開關管的通斷，使高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流，這樣，就減小甚至消除總輸入端的諧波電流，提高了功率因數值，從而使總輸入端的電流為近似正弦波電流。
另外，通常情況下變壓器可能產生的諧波電流顯著小於SCR整流器所產生的諧波電流。因此，該整流控制器可以只檢測流入SCR整流器的輸入端的電流，根據所檢測的電流計算流入SCR整流器的諧波電流，井根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流。本實施例中，高頻整流器並聯在SCR整流器的輸入端，通過高頻整流器的諧波電流補償功能實現了總輸入端的PF校正，使得根據本實施例的整流電路既有SCR整流器的簡單可靠成本低的特點，又 減小甚至消除了總輸入端的諧波電流，提高了功率因數值。而且，由於通過串聯連接高頻整流器和SCR整流器來輸出直流電壓，因此高頻整流器不是滿功率變換，例如通常只有20%的額定功率，使得其體積和成本均較低。應當說明的是，當電源為三相的交流輸入源時，本申請所提及的SCR整流器、高頻整流器、變壓器均為三相。優選地，SCR整流器和高頻整流器分別為全橋SCR整流器和全橋高頻整流器。全橋高頻整流器可採用全橋IGBT整流器或全橋MOS整流器，全橋IGBT整流器或全橋MOS整流器均為高速全控器件。優選地，變壓器為降壓變壓器，這樣，變壓器不僅起到了隔離作用，同時使得高頻整流器的電壓應力大大降低，因此，高頻整流器可選用低耐壓、低損耗、速度高、價格低的器件。當變壓器的副邊電壓足夠低吋，也相應地降低了導通壓降，高頻整流器可選用MOS管構建的全橋MOS整流器，另外，也可選用較小尺寸及較輕重量的其它器件，如電感，電容等。在圖3所示的本發明UPS實施例ニ的輯圖中，該UPS包括整流電路、蓄電池和逆變器，在諸如三相交流輸入源的電源正常時，整流電路將電源輸出的交流電壓轉換為直流電壓，該直流電壓為蓄電池充電，同時，逆變器將整流電路輸出的直流電壓逆變為交流電，以給該UPS的負載(未示出)供電，下面著重說明該UPS的整流電路。在該UPS的整流電路中，包括有SCR整流器、變壓器、高頻整流器和整流控制器，電源的輸出端分別接SCR整流器的輸入端及變壓器的原邊，變壓器的副邊連接所述高頻整流器的輸入端，SCR整流器和高頻整流器串聯後輸出直流電壓。整流控制器連接電源、SCR整流器和高頻整流器。相比實施例一中的UPS，本實施例的UPS所不同的是整流控制器除了通過控制高頻整流器來實現諧波電流補償之外，還通過調節SCR整流器的輸出電壓來穩定直流輸出電壓Udc。本實施例中，高頻整流器的輸出電壓為預定的直流電壓，該整流控制器檢測SCR整流器和高頻整流器串聯後所輸出的直流電壓Udc，並根據所檢測的直流電壓Udc調節SCR整流器的輸出電壓，使直流電壓Udc為期望電壓值。具體可為該整流控制器根據所檢測的直流電壓Udc發出驅動脈沖，以控制SCR整流器的SCR管的通斷，使直流電壓Udc為期望電壓值。例如，該整流器控制器包括電流電壓雙環控制電路，其根據所檢測的直流電壓Udc和SCR整流器的輸入電流產生控制信號，然後利用該控制信號來對脈衝信號進行調製，例如調製脈衝信號的脈衝寬度，以得到驅動脈沖。不局限於這裡公開的內容，本領域技術人員可根據實際需要選擇其他生成驅動脈衝的方法。在另ー實施例中，整流控制器除了調節SCR整流器的輸出電壓之外，還通過調節高頻整流器的輸出電壓來穩定直流輸出電壓Udc。具體地，該整流控制器檢測SCR整流器和高頻整流器串聯後所輸出的直流電壓Udc和SCR整流器的輸出電壓Udc I，並根據所檢測的電壓Udc和Udcl控制SCR整流器和高頻整流器，使串聯後所輸出的直流電壓Udc為期望電壓值，具體可為該整流控制器根據所檢測的電壓Udc和Udcl發出兩組驅動脈衝，其中，第一組驅動脈衝控制SCR整流器的SCR管的通斷，使SCR整流器輸出第一直流電壓，第二組驅動脈衝控制高頻整流器的開關管(例如IGBT管)的通斷，使高頻整流器輸出第二直流電壓，由於SCR整流器和高頻整流器串聯，所以該第一直流電壓和第二直流電壓相加後即為直流電壓Udc，且該直流電壓Udc可達到期望電壓值。通常情況下，SCR整流器的SCR管為滿導通，使輸入的功率因數較高，總輸入端的諧波電流較小。此實施例中，通過高頻 整流器的電壓調節功能和諧波電流補償功能，可以實現總輸入端的PF校正和直流電壓穩定的快速調節，從而改善了整流電路的性能，例如，提高了系統響應速度。圖4是本發明UPS實施例三的電路圖，在該UPS中，三相交流輸入源Source輸出的三相交流電經開關CBl後分為兩路，一路依次經電感LI濾波、全橋SCR整流器SCRl的整流後轉換為直流電壓Udcl，電容Cl為全橋SCR整流器SCRl所輸出的直流電壓Udcl濾波；另一路經變壓器Tl隔離及降壓、交流濾波電容Filter Capl濾波、電感L2濾波、全橋IGBT整流器IGBTl整流後輸出直流電壓Udc2，電容C2為全橋IGBT整流器IGBTl輸出的直流電壓Udc2濾波。由於全橋SCR整流器SCRl和全橋IGBT整流器IGBTl串聯，所以直流電壓Udcl和Udc2相加後即為該整流電路總輸出的直流電壓Udc，即Udc = Udcl+Udc2。所輸出的直流電壓Udc經開關CB2給蓄電池Battery提供充電電壓,優選地,直流電壓Udc對蓄電池Battery進行均浮充，即直流電壓Udc給蓄電池Battery提供均浮充電電壓。同時，逆變器INVl將所輸出的直流電壓Udc逆變出交流電壓，第三電感Lout和交流濾波電容FilterCap2為所輸出的交流電壓濾波。整流控制器Ul檢測直流電壓Udc和Udcl，經計算後發出兩組6路驅動脈衝Drverl、Driver2來分別控制SCR整流器SCRl中的SCR管和IGBT整流器IGBTl中的IGBT的通斷，具體地，驅動脈衝Driverl驅動全橋SCR整流器SCRl使其輸出直流電壓Udcl，驅動脈衝Driver2驅動全橋IGBT整流器IGBTl使其輸出直流電壓Udc2。正常情況下SCR管基本為滿導通，使總輸入端的功率因素較高，總輸入端的諧波電流較小，整流控制器Ul主要控制驅動脈衝Driver2，調節全橋IGBT整流器的輸出直流電壓Udc2，使得直流電壓Udcl和直流電壓Udc2的和為期望電壓值。由於採用全橋SCR整流器SCRl和全橋IGBT整流器IGBTl的聯合控制，可以使控制簡單高效，全橋SCR整流器SCRl採用慢速調節，保持總輸出的直流電壓Udc大致穩定，同吋，採用全橋IGBT整流器IGBTl可實現快速調節，從而快速高效地實現直流電壓Udc達到期望電壓值。同時，全橋IGBT整流器IGBTl還相當於ー諧波濾波器。整流控制器Ul通過檢測總輸入端的電流或者SCR整流器SCRl的輸入端的電流，計算總輸入端或者SCR整流器SCRl的輸入端的諧波電流，然後控制全橋IGBT整流器IGBTl發出相反的諧波電流，該諧波電流與總輸入端或者SCR整流器SCRl的輸入端的諧波電流相加後，就得到近似正弦波電流，從而得到較高的功率因素值及較小的諧波電流。另外，若三相交流輸入源的輸出電壓較高，整流控制器所輸出的驅動脈衝Driverl通過移相控制，使得直流電壓Udcl被控制在ー個較低的值，此時，總輸入端的諧波電流較大，仍由全橋IGBT整流器IGBTl來補償全橋SCR整流器所產生的諧波，及調節直流電壓Udc2的大小。
優選地，在上述實施例中採用電感L2進行濾波時，還可用多個濾波參數較小的電感串聯的方式來實現濾波，該多個電感可通過熱插拔的方式連接在變壓器的副邊與全橋高頻整流器的輸入端之間，這樣可提高系統的可靠性，使得UPS的生產及維護的成本較低。同樣地，在上述實施例中採用交流濾波電容Fi I ter Cap2進行濾波時，也可選用多個濾波參數較小的交流濾波電容並聯的方式來實現濾波，該多個交流濾波電容可通過熱插拔的方式連接在變壓器的副邊，以提高系統的可靠性，使得UPS的生產及維護的成本較低。
圖5是根據本發明ー實施例的整流控制器的邏輯圖。如圖5所示，該整流控制器包括模數轉換電路、SCR驅動控制電路(第一控制電路)、IGBT驅動控制電路(第二控制電路)以及第一和第二脈衝調製信號產生電路。下面結合圖4描述整流控制器的工作原理。該整流控制器檢測整流電路的交流側輸入電壓以及SCR整流器(圖4中的SCR1)的輸出電壓Udcl和其輸入端的電流，檢測的模擬信號經過模數轉換電路進行模數轉換，然後送入到SCR驅動控制電路。SCR驅動控制電路例如包括電壓電流雙閉環控制電路，其中數位化的輸出電壓Udcl與設定的值進行PID(Proportion Integral Differential,比例積分微分)調節，得到的信號作為電流環的給定輸入與數位化的SCR整流器輸入端的電流進行PID調節，然後得到的信號與數位化的交流側輸入電壓進行同步以生成用於調節輸出電壓Udcl的控制信號(第一控制信號)。生成的控制信號被送入到第一脈衝調製信號產生電路。第一脈衝調製信號產生電路通過利用該控制信號對脈衝信號進行調製，例如脈衝寬度調製，來輸出用於驅動SCR整流器的SCR驅動脈衝Driverl。另外，整流控制器還檢測IGBT整流器(圖4中的IGBT1)的輸出電壓Udc2和其輸入端的電流，檢測的模擬信號經過模數轉換電路進行模數轉換，然後與上述的數位化的交流側輸入電壓和數位化的SCR整流器輸入端的電流一起被饋送到IGBT驅動控制電路。IGBT驅動控制電路由兩個部分構成諧波控制信號產生單元，其以數位化的交流側輸入電壓為參考，根據數位化的SCR整流器輸入端的電流計算出流入SCR整流器的諧波電流，在求反後輸出作為用於諧波電流補償的第二控制信號；和電壓控制信號產生單元，其類似於SCR驅動控制電路，例如可以包括IGBT電壓電流雙閉環控制電路，根據數位化的輸出電壓Udc2和數位化的IGBT整流器輸入端電流生成用於調節輸出電壓Udc2的第三控制信號。通過使IGBT整流器的輸入電流跟蹤交流側輸入電壓的相位，可以控制IGBT整流器的輸入功率因數。將第二和第三控制信號送入到第二脈衝調製信號產生電路，第二脈衝調製信號產生電路通過利用這兩個控制信號對脈衝信號進行調製，例如脈衝寬度調製，來輸出用於驅動IGBT整流器的IGBT驅動脈衝Driver2。在一實施例中，諧波控制信號產生單元還可以根據數位化的SCR整流器輸入端的電流計算出該電流的基波分量的無功分量，然後將其加入到第二控制信號中，以補償無功功率。以上描述的各個實施例涉及不間斷電源。本領域技術人員應當理解，根據本發明的整流電路不局限於UPS中採用的整流電路，其可以應用於電動機變頻調速器、照明電源、開關電源等領域。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種用於將電源輸出的交流電壓轉換為直流電壓的整流電路，該整流電路包括 其輸入端連接所述電源的可控矽SCR整流器； 其原邊連接所述電源和所述SCR整流器的輸入端的變壓器； 高頻整流器，其輸入端連接所述變壓器的副邊，以及其輸出端串聯連接所述SCR整流器的輸出端以便通過所述SCR整流器和所述高頻整流器的串聯來輸出所述直流電壓；和 整流控制器，其根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流和流入變壓器的原邊的電流之和計算流入所述整流電路的諧波電流，或者根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流計算流入所述SCR整流器的諧波電流，井根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流。
2.根據權利要求I所述的整流電路，其中所述整流控制器檢測所述直流電壓，井根據所檢測的直流電壓控制SCR整流器，使所述SCR整流器和所述高頻整流器串聯後所輸出的直流電壓為期望電壓值。
3.根據權利要求2所述的整流電路，其中所述整流控制器還檢測所述SCR整流器的輸出電壓，並根據所檢測的直流電壓和所述SCR整流器的輸出電壓控制所述SCR整流器和所述高頻整流器，使所述SCR整流器和所述高頻整流器串聯後所輸出的直流電壓為期望電壓值。
4.根據權利要求3所述的整流電路，其中所述整流控制器檢測流入SCR整流器的輸入端的電流以及流入SCR整流器的輸入端的電流和流入變壓器的原邊的電流之和，所述整流控制器包括 第一控制電路，其根據所檢測的SCR整流器的輸出電壓和流入SCR整流器的輸入端的電流來產生用於調節該輸出電壓的第一控制信號； 第一脈衝調製信號產生電路，其根據第一控制信號生成用於驅動SCR整流器的第一驅動信號； 第二控制電路，其根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流來產生用於諧波電流補償的第二控制信號，並且根據所檢測的直流電壓、SCR整流器的輸出電壓、流入SCR整流器的輸入端的電流以及流入SCR整流器的輸入端的電流和流入變壓器的原邊的電流之和，產生用於調節高頻整流器的輸出電壓的第三控制信號；以及 第二脈衝調製信號產生電路，其根據第二和第三控制信號生成用於驅動高頻整流器的第二驅動信號。
5.根據權利要求1-4之一所述的整流電路，其中所述高頻整流器為全橋絕緣柵雙極型電晶體IGBT整流器或全橋金屬氧化物半導體電晶體MOS整流器。
6.根據權利要求1-4之一所述的整流電路，其中所述變壓器為降壓變壓器。
7.根據權利要求1-4之一所述的整流電路，其中所述整流電路還包括電感，所述電感連接在變壓器的副邊與高頻整流器的輸入端之間。
8.根據權利要求7所述的整流電路，其中所述電感為多個電感，所述多個電感串聯連接，且通過熱插拔的方式連接在變壓器的副邊與高頻整流器的輸入端之間。
9.根據權利要求1-4之一所述的整流電路，其中所述整流電路還包括連接在所述變壓器的副邊的交流濾波電容。
10.根據權利要求9所述的整流電路，其中所述交流濾波電容為多個交流濾波電容，所述多個交流濾波電容並聯連接，且通過熱插拔的方式連接在所述變壓器的副邊。
11.根據權利要求1-4之一所述的整流電路，其中所述整流電路還包括第一電容和第ニ電容，所述第一電容連接在SCR整流器的兩輸出端之間，所述第二電容連接在高頻整流器的兩輸出端之間。
12.—種不間斷電源，包括根據權利要求1-11之一所述的整流電路、蓄電池和逆變器，所述整流電路輸出的直流電壓為蓄電池充電，所述逆變器將整流電路輸出的直流電壓逆變為交流電。
13.根據權利要求12所述的不間斷電源，其中，所述直流電壓對所述蓄電池進行均浮充。
14.根據權利要求12所述的不間斷電源，其中，所述整流控制器通過移相控制降低SCR整流器輸出的直流電壓。
全文摘要
本發明涉及一種不間斷電源及其整流電路，該整流電路包括其輸入端連接電源的SCR整流器；其原邊連接電源和SCR整流器的輸入端的變壓器；高頻整流器，其輸入端連接變壓器的副邊，以及其輸出端串聯連接SCR整流器的輸出端以便通過SCR整流器和高頻整流器的串聯來輸出所述直流電壓；和整流控制器，其根據所檢測的流入SCR整流器和變壓器的總輸入端的電流計算總輸入端的諧波電流，或者根據所檢測的流入SCR整流器的輸入端的電流計算流入SCR整流器的諧波電流，並根據所計算的諧波電流控制高頻整流器產生與所計算的諧波電流相反的諧波電流。實施本發明的技術方案，可減小甚至消除總輸入端的諧波電流，提高了功率因數值，從而使總輸入端的電流為近似正弦波電流。
文檔編號H02J7/00GK102684513SQ201110070659
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者肖學禮 申請人:力博特公司