內含蓄電池反饋放電迴路的直流電源的製作方法
2023-11-30 15:26:21 3
專利名稱：內含蓄電池反饋放電迴路的直流電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將交流變換成直流的直流電源。
背景技術：
信息網絡時代，信息設備對電能質量提出了更高的要求，國際電工委 員會在1988年對諧波標準IEC555-2進行了修正，制定了 IEC1000-3-2標準。隨著電力電 子技術的發展，將交流變換成直流的整流型直流電源已成為電能應用的基礎，此類電源必 須滿足諧波標準，有源功率因數校正(APFC)技術是抑制諧波、提高市電電網功率因數的有 效方法，但應用於大功率場合的三相APFC電路控制複雜，導致用戶採購、維護成本高昂。發明內容本發明的任務是提供一種控制簡單的高功率因數直流電源。一種直流電源正弦變化的交流市電首先經工頻變壓器變換為幅值合適的交流 電，再經單相有源功率因數校正(APFC)電路變換為平滑的直流電輸送到直流母線，直流負 載從直流母線處取電。所述單相APFC電路，在計算機電源等場合獲得廣泛應用，能使功率因數接近1， THD低，由單相整流電路和帶有功率因數校正控制電路的Boost升壓電路串聯而成，單相整 流電路首先將變壓器輸出的單相交流電整流形成脈動直流電，Boost升壓電路在功率因數 控制器的控制下，再將脈動直流電變換為平滑的直流電輸送到直流母線。所述工頻變壓器，將交流市電幅值變換為系統要求的幅值，對於採用懸浮方式輸 出的直流系統，懸浮在工頻變壓器處實現，對於採用三相交流輸入的直流電源，內部不採用 三相APFC電路，而是在三相工頻變壓器的輸出各相上均配置單相APFC電路，三相工頻變 壓器輸出繞組結構須允許各相上的APFC電路直流負極相互短接，並且短接不能改變單相 APFC電路的工作狀態，仍然能使功率因數接近1、THD低，最終使各相APFC電路形成的直流 可合併成一個總的直流電輸送到直流母線。本發明利用單相APFC電路形成直流電，不採用三相APFC電路，技術成熟，有工業 化生產的功率因數控制晶片，THD低，功率因數接近1，控制簡單，成本低廉。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。圖1是三相輸入、單相橋式整流直流電源原理圖。圖2是三相輸入、單相全波整流直流電源原理圖。圖3是直流雙電源不間斷供電系統圖。圖4是內含蓄電池反饋放電迴路直流不間斷電源系統圖。
具體實施方式
圖1給出了三相輸入、單相橋式整流的直流電源原理圖。三相工 頻變壓器輸出繞組採用各相無電聯結的獨立單繞組結構，各相輸出繞組上的相電壓經單相 橋式整流電路形成脈動直流電，提供給各自Boost升壓電路，在功率因數控制器的控制下 形成平滑的直流電，允許將各相橋式整流電路形成的直流負極短接，使各相APFC電路形成 的直流合併成一個總的直流電輸送到直流母線。由於Boost電路是一種升壓電路，視直流電源輸出電壓的不同，本發明中工頻變 壓器要將交流市電幅值變換為系統要求的幅值，對於如在YDB037-2009《通信用MOV直流 供電系統技術要求》中採用懸浮方式輸出的直流系統，懸浮要在工頻變壓器處實現。圖2給出了三相輸入、單相全波整流直流電源原理圖。三相工頻變壓器輸出各相
3採用帶中間抽頭的繞組結構，各相繞組的中間抽頭直接短接構成直流負極，各相輸出繞組 上的相電壓經單相全波整流電路形成脈動直流電，提供給各自Boost升壓電路在功率因數 控制器的控制下形成平滑的直流電輸送到直流母線。除以上兩種電路外，利用三個單相工頻變壓器構成等效三相工頻變壓器，也可以 滿足本發明提出的三相輸出繞組的結構要求，此情況類同於圖1給出的三相工頻變壓器， 可完全照搬圖1電路。以上三相工頻變壓器輸出繞組結構允許各相上的APFC電路直流負極相互短接， 並且短接沒有改變單相APFC電路的工作狀態，仍然能使功率因數接近1、THD低，最終使各 相APFC電路形成的直流合併成一個總的直流電輸送到直流母線，而傳統的三角形、星形輸 出繞組結構，不能同時滿足這些條件。由於大功率電源一般採用三相交流輸入，所以這裡以三相輸入為例介紹，但是本 發明、特別是其後述應用電路完全適用於單相輸入。如此設計，是為了利用單相APFC電路形成直流，最終實現將電池電壓反饋到 Boost升壓電路輸入端升壓輸出，共享升壓電路，節省一級DC-DC變換電路，既提高了變換 效率，又節約了成本，後文對此有進一步的論述。本發明提出的直流電源可應用在不間斷電源中，不間斷供電電源工作原理是正 弦變化的交流市電經直流電源變換成平滑的直流電提供給直流負載，同時給並聯的儲能蓄 電池充電；當市電故障時，直流電源無輸出，蓄電池放電為直流負載提供工作電能。這裡的 直流負載，既可以指需要由直流直接驅動的終端用電負載，又可以指DC-AC逆變器或DC-DC 變換器等中間變換負載，由具體應用場景而定。信息網絡時代，信息系統處於M小時不間斷工作狀態，這對不間斷供電系統可靠 性提出了更高的要求，由於蓄電池的荷電備用特性，是不間斷供電中的最後一道防線，用戶 需要掌握蓄電池的剩餘容量情況，以便對電池放電能力做到心中有數。蓄電池維護管理功 能屬於直流電源範疇，目前直流電源支持蓄電池帶載核對性放電試驗，即人為調低直流電 源的輸出電壓、使輸出電流為零，蓄電池放電為負載提供工作電能，但在直流雙電源不間斷 供電應用場景中，不附加一級DC-DC變換器，會發生蓄電池端壓低於負載端電壓，導致蓄電 池放不出電，達不到通過帶載核對性放電試驗掌握蓄電池剩餘容量的目的。圖3是直流雙電源不間斷供電系統圖，電源Vl經過隔離二極體D1，電源V2經過隔 離二極體D2後合併為一路提供負載工作電能，二極體D1、D2的作用是當V1、V2存在電壓差 時，防止高電壓電源給低電壓電源反向充電，並且在一路電源發生短路故障時，自動將故障 電源隔離，不影響負載供電可靠性。圖3所示供電系統屬於兩個獨立電源、雙路供電系統，其可靠性模型具有並聯 結構，而傳統的單電源雙路供電系統，其可靠性模型屬於串聯結構，僅在局部採用並聯結 構。假設負載要求供電可靠性為RL = 0. 999999，在單電源供電系統中，電源可靠性必須大 於0. 999999，而在圖3所示雙電源供電系統中，取每個供電支路供電可靠性為Rl = R2 = 0. 999，整個供電系統可靠性為R = I-(I-Rl) X (1-R2) = 1-(1-0. 999) X (1-0. 999) = 0. 999999 = RL由此可見，在雙電源雙路供電系統中，為達到相同的負載供電可靠性，電源可靠性 須大於0. 999，遠小於單電源雙路供電系統中電源可靠性要求，可靠性要求低，成本低，意味著用戶可以購買更多的備件，提高了可維性和可用性；而在使用相同可靠性電源的前提下， 雙電源雙路供電系統可以提供更高的可靠性。雙電源雙路供電系統是一種容錯系統，一路電源故障不影響供電系統可靠性；而 單電源雙路供電系統，電源故障嚴重影響供電系統可靠性，這兩種不同的系統對維護人員 的心理影響是不同的。維護水平是影響運行可靠性和設備使用壽命的重要因素，而維護人 員的心理活動又影響維護水平。人為故障佔運行故障的比例很大，而人為故障絕大部分是 在電源維護過程中產生的，視人為故障的影響範圍不同，電源維護人員要承擔一定的經濟 責任，還會牽連相關人員，影響上下級、同事關係，這導致針對傳統的單電源雙路供電系統， 由於系統存在維護性設計缺陷，為減少人為故障，電源維護人員能不維護，就不維護；能少 維護，就少維護；而雙電源雙路供電系統是一種容錯系統，維護性好，人為故障一般不會導 致負載掉電，電源維護人員心理壓力小，維護工作可以做全做實，從而保證供電系統運行可 靠性和設備使用壽命。由於隔離二極體D1、D2存在壓降，在48V等低壓不間斷供電系統中，雙電源雙路供 電系統的高可靠性，與可以不配置隔離二極體的單電源雙路供電系統的配電高效能間存在 競爭關係，但在高壓直流不間斷供電系統，隔離二極體Dl、D2壓降對系統配電效能影響不 大，雙電源雙路供電系統的高可靠性凸現出來，而且雙電源系統可以提供停電檢修維護方 式，安全性比單電源雙路供電系統更好，因此在高壓直流不間斷供電系統中，採用雙電源雙 路供電是一種最佳方式，並依此為基礎構建低成本、高可靠性分散供電系統。圖3所示直流雙電源不間斷供電系統也存在問題。由於市電故障的不可預見性， 為保證不間斷供電可靠性，不允許同時對兩路直流電源進行帶載核對性放電試驗，假如人 為調低直流電源1的輸出電壓、使輸出電流為零，而直流電源2狀態不變，則V2 > VI，負載 由直流電源2獨立驅動，會發生直流電源1的蓄電池端壓低於負載端電壓，導致直流電源1 的蓄電池放不出電，達不到通過帶載核對性放電試驗掌握蓄電池剩餘容量的目的。產品必 須滿足用戶的需求，可以通過增加一級DC-DC變換電路來提高蓄電池的電壓，例如^itl公 司推出的400伏穩壓輸出高壓直流供電方案，就採用了這樣的兩極結構，但兩極結構降低 了變換效率，增加了成本。利用本發明提供的直流電源，可以構建一種具有蓄電池反饋放電功能的不間斷供 電電源，不附加DC-DC變換器，利用一級變換結構也可以實現蓄電池電壓的升壓輸出。圖4 給出了這種電源的系統結構圖，在本發明提供的直流電源基礎上，增加了蓄電池模擬靜置 控制電路和蓄電池反饋放電迴路。電池負極與直流母線負極短接，蓄電池模擬靜置控制電 路與蓄電池串聯後並接入直流母線，主要由可控開關Kl構成，Kl閉合時，允許電流雙向流 動。在蓄電池和Boost升壓電路輸入端之間設置有蓄電池反饋放電迴路。反饋放電迴路主 要由蓄電池反饋放電控制電路構成，當直流電源採用三相交流輸入時，還需在反饋放電回 路中設置隔離二極體D3，D3的作用是僅允許電池反饋電流單向流入到Boost升壓電路輸入 端，防止蓄電池反饋迴路影響各相APFC電路的工作，蓄電池反饋放電控制電路，主要由可 控開關K2構成。引入蓄電池模擬靜置控制電路的目的，是為了配合反饋放電迴路工作，防 止蓄電池出現一邊放電一邊充電的不合理工作狀態，反饋放電前，要通過模擬靜置控制電 路先斷開蓄電池充電迴路。常態時，K2斷開Kl閉合，蓄電池反饋放電迴路斷開，蓄電池接入直流母線充放電；在市電正常情況下，主動閉合K2，可實現蓄電池反饋放電試驗，為此工頻變壓器輸出的各相 電壓最大幅值不應大於蓄電池放電終了電壓，使反饋放電試驗過程中，單相整流電路中的 二極體反向偏置截止，工頻變壓器空載，Boost升壓電路利用電池電壓形成直流輸出電壓輸 送到直流母線，例如在YDB037-2009《通信用MOV直流供電系統技術要求》中，單節放電終 了電壓取1. 8V，整個蓄電池組放電終了電壓為1. 8X120 = 216V，工頻變壓器輸出的各相電 壓最大有效值取150V，則當斷開Kl閉合K2時，Boost升壓電路就會利用電池電壓形成直流 輸出電壓，實現了電池電壓的升壓輸出，圖3所示供電系統如果採用這種具有蓄電池反饋 放電功能的直流電源，不附加DC-DC變換器，也可以實現蓄電池反饋放電試驗，反饋放電結 束後，閉合Kl斷開K2，蓄電池重新接入直流母線充放電；在市電故障、蓄電池放電過程中， 可按需要將電池電壓反饋到Boost升壓電路輸入端，例如在上述MOV直流系統中，放電一 開始，保持閉合Kl不變，將Boost升壓電路輸出值設定為230V，閉合K2將電池電壓反饋到 Boost升壓電路輸入端，放電初期電池電壓高於230V，Boost升壓電路無動作，電池通過閉 合的Kl自然放電，達到231V轉換電壓時斷開K1，電池轉入反饋穩壓輸出，這種複合放電方 式，既保持了放電初期自然放電的高效，又提高了放電末期負載供電電壓，保證了供電可靠 性。在市電正常情況下，保持K2斷開不變，再斷開K1，分析發現此時蓄電池進入一種 脫離充電電源的靜置狀態。剩餘容量表明了蓄電池的放電能力，是反映蓄電池質量好壞最 直接的評價指標，我們進行過淘汰蓄電池剩餘容量試驗，試驗表明經過一段脫離充電電 源的靜置時間後，單體電壓與本節電池剩餘容量成正相關關係，單體電壓越高，剩餘容量越 多，電池質量越好，反之亦然。如果我們對使用狀態下的蓄電池人為營造出一種模擬靜置狀 態，消除充電電壓、充電迴路和負載迴路等使用環境的影響，靜置規定時間後，測量單體電 壓，單體電壓數值高低反映了電池質量的優劣，本發明中將這種判定使用狀態下蓄電池質 量的方法命名為模擬靜置法，並且在蓄電池充電結束後通過斷開Kl隨時進入模擬靜置狀 態，利用模擬靜置法來判定使用狀態下蓄電池質量，測量結束後，閉合Kl蓄電池又接入直 流母線充放電。為防止斷開Kl又遇到市電故障等緊急情況、需要蓄電池放電時無放電通道 的情況發生，可在Kl處並聯續流二極體D6，D6僅允許電流從蓄電池流向直流母線。現有判定使用狀態下的蓄電池質量的內阻測量法屬於小信號測量法，單體電壓屬 於大信號，所以模擬靜置法抗幹擾能力強，同一時間重複測量一致性好，數據可信度高。現 代電源中，監控系統是標準配置，可對蓄電池單體電壓進行M小時不間斷監控，配合本發 明提供的模擬靜置法和相關電路，監控軟體會自動判定使用狀態下的蓄電池質量，減少了 配置內阻測量儀的投資，同時也減少了維護人員的工作量，更容易實現供電系統的集中管 理。
權利要求
1.一種直流電源正弦變化的交流電經單相有源功率因數校正(APFC)電路變換為平 滑的直流電輸送到直流母線，並且使功率因數接近1，THD低，直流負載從直流母線處取電； 單相APFC的主電路由單相整流電路和帶有功率因數校正控制電路的Boost升壓電路串聯 而成，其特徵在於工頻變壓器設置在單相APFC電路和輸入交流市電之間，將交流市電幅值變換為系統 要求的幅值，對於採用懸浮方式輸出的直流系統，懸浮在工頻變壓器處實現，對於採用三相 交流輸入的直流電源，內部不採用三相APFC電路，而是在三相工頻變壓器輸出各相上均配 置單相APFC電路，三相工頻變壓器輸出繞組結構須允許各相上的APFC電路直流負極相互 短接，並且短接不能改變單相APFC電路的工作狀態，仍然能使功率因數接近1、THD低，最終 使各相APFC電路形成的直流可合併成一個總的直流電輸送到直流母線。
2.根據權利要求1所述的直流電源，其特徵在於蓄電池與蓄電池模擬靜置控制電路串聯後再並接入直流母線，電池負極與直流母線負 極短接，蓄電池模擬靜置控制電路主要由可控開關Kl構成，Kl閉合時，允許電流雙向流動； 常態時，Kl閉合，蓄電池接入直流母線充放電，當充電結束需要判斷蓄電池質量時，斷開 K1，使蓄電池進入一種脫離充電電源的模擬靜置狀態，消除充電電壓、充電迴路和負載迴路 等使用環境的影響，靜置規定時間後，測量單體電壓，單體電壓數值高低反映了電池質量的 優劣，測量結束後，閉合Kl蓄電池又接入直流母線充放電；為防止斷開Kl又遇到市電故障 等緊急情況，需要蓄電池放電時無放電通道的情況發生，可在Kl處並聯續流二極體D6，D6 僅允許電流從蓄電池流向直流母線。
3.根據權利要求2所述的直流電源，其特徵在於在蓄電池和單相APFC電路內的Boost升壓電路輸入端之間設置有蓄電池反饋放電回 路，反饋放電迴路主要由蓄電池反饋放電控制電路構成，當直流電源採用三相交流輸入時， 還需在反饋放電迴路中設置隔離二極體D3，D3的作用是僅允許電池反饋電流單向流入到 Boost升壓電路輸入端，防止蓄電池反饋迴路影響各相APFC電路的工作，蓄電池反饋放電 控制電路，主要由可控開關K2構成；常態時，K2斷開，導致蓄電池反饋放電迴路斷開，可按 需要閉合K2，將電池電壓反饋到Boost升壓電路輸入端，實現電池電壓的升壓輸出，為防止 蓄電池出現一邊放電一邊充電的不合理工作狀態，反饋放電前，要通過模擬靜置控制電路 先斷開蓄電池充電迴路。
4.一種名為模擬靜置法的判定使用狀態下蓄電池質量的方法，蓄電池作為一種儲能 設備，剩餘容量表明了電池的放電能力，是反映電池質量好壞最直接的評價指標，其特徵在 於對使用狀態下的蓄電池人為營造出一種模擬靜置狀態，消除充電電壓、充電迴路和負 載迴路等使用環境的影響，靜置規定時間後，單體電壓與本節電池剩餘容量成正相關關係， 測量單體電壓，單體電壓越高，剩餘容量越多，電池質量越好，反之亦然，從單體電壓數值即 可對電池質量做出判斷。
全文摘要
本發明是一種高功率因數直流電源，依此為基礎構建的不間斷電源可實現電池電壓反饋式升壓輸出交流市電首先經工頻變壓器變換為幅值合適的交流，再經單相APFC電路變換為直流輸送到直流母線，負載從直流母線處取電，蓄電池模擬靜置控制電路與蓄電池串聯後並接入直流母線，單相APFC主電路由單相整流電路和帶有功率因數校正控制電路的Boost升壓電路串聯而成，在蓄電池和Boost升壓電路輸入端之間設置有蓄電池反饋放電迴路。本發明同時提供了一種名為模擬靜置法的蓄電池質量判定方法，並將其物化為電源的內部功能電路，綜和應用本發明提供的維護電路，可以對處於在線使用狀態下的蓄電池質量做出即時、準確的判定。
文檔編號H02M7/08GK102130578SQ20111000432
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者張太平 申請人:張太平