專利名稱：：一種不間斷電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及一種不間斷電源裝置(UninterruptablePowerSupply)，尤其一種采用帶功率校正(PowerFactorCorrection)功能的整流器電路主動補償充電器(Charger)所產(chǎn)生的諧波電流的不間斷電源。
背景技術(shù)：
：不間斷電源裝置(UninterruptiblePowerSupply，UPS)為一種電源設(shè)備，該電源設(shè)備自帶電池等電能存儲元件，在交流市電正常時，由交流市電提供能源，對交流市電進行濾波、整流、轉(zhuǎn)換等動作，為用電設(shè)備提供潔凈的電源供應(yīng)，一旦市電出現(xiàn)斷電、電壓偏低、電壓偏高或頻率波動等電源品質(zhì)問題時，不間斷電源裝置可以快速的檢測出市電電源品質(zhì)問題的發(fā)生，并切換至電池供電，將電池內(nèi)所儲存的能量經(jīng)過變換，為用電設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，解決了用電設(shè)備直接接到市電供電線路時要面臨的市電中斷、有干擾或不穩(wěn)定所導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作，甚至損壞等問題?，F(xiàn)代生活建立在電氣化基礎(chǔ)之上，電源的可靠性就尤為重要，因此UPS被廣泛應(yīng)用。典型不間斷電源裝置，接在交流輸入的包括整流器和充電器，整流器和充電器的線路結(jié)構(gòu)及工作方式?jīng)Q定了不間斷電源裝置的輸入功率及輸入電流諧波失真性能。近年來，國際上越來越重視電源污染問題，各種國際組織對設(shè)備的功率因素及輸入電流失真都提出相應(yīng)法規(guī)要求，在不間斷電源行業(yè)中，如IEC61000-3-2，IEC61000-3-4等標(biāo)準(zhǔn)對UPS裝置在功率因數(shù)和輸入電流諧波方面提出了限制要求。典型的充電器結(jié)構(gòu)前端為不控整流半波或全波整流器，造成輸入電流諧波失真較大，輸入功率因素底，無法滿足電源品質(zhì)法規(guī)的要求，為了滿足法規(guī)需求，有UPS生產(chǎn)商常采用帶功率因數(shù)校的主功率電路和帶功率因數(shù)的充電器，但這種方法存在的主要問題是帶功率因素校正功能的充電器成本較高。請參考圖1，圖1揭示了一種現(xiàn)有的典型的不間斷電源(UPS)的功能框圖，其中包括整流器(AC/DC)101，充電器(Charger)102，蓄電池(Battery)103，直流升壓器(DC/DC)104，直流母線(BUS)107，直流母線電容(BUSCAP)105，逆變器(DC/AC)106,交流輸入端子109，交流輸出端子110，旁路(Bypass)108，總控制器(Controller)100。其中交流輸入端子109接交流市電輸入，整流器101和充電器102并聯(lián)接在交流輸入端109，充電器102輸出接電池，電池103接充電器102外同時接至直流升壓器104，整流器101和直流升壓器104的輸出接直流母線107，直流母線107上還并接有直流母線電容105，逆變器106接到直流母線107上。旁路108的輸入接交流輸入端109，其輸出與逆變器106的輸出并聯(lián)連接，并接至交流輸出端子110，總控制器100控制整個機器各功能塊工作，即控制器從各功能塊監(jiān)測運行狀態(tài)，并向各功能塊輸出控制命令信號，控制器上有中央處理器(CPU)運行整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序。電流傳感器111檢測整流器輸入電流信號，并反饋給總控制器100。其中當(dāng)市電輸入電壓、頻率，波形等參數(shù)在正常狀態(tài)的時候，整流器101從交流輸入端子109接受交流電能，并轉(zhuǎn)換為直流電能送至直流母線107，直流母線107上的母線電容105起到儲蓄能量，抑制紋波的作用，逆變器106從直流母線107接受直流電能轉(zhuǎn)換為交流輸出供給負載(其他用電設(shè)備)，因為逆變器106的輸入是穩(wěn)定的直流電壓，并且其工作方式，狀態(tài)完全是受總控制器100控制的，所以不管輸入市電的質(zhì)量如何，其逆變器106輸出的波形和頻率等參數(shù)均可以控制得比較好；當(dāng)交流市電中斷的時候，總控制器100可以在很短的時間內(nèi)檢測出市電中斷事件，關(guān)閉整流器，并啟動直流升壓器104將蓄電池103內(nèi)儲存的能量轉(zhuǎn)換成更高電壓的直流電壓送至直流母線107，繼續(xù)由逆變器106變換成交流輸出供給負載使用，從市電中斷到檢測出中斷到啟動直流升壓器106的這段時間內(nèi)，由于直流母線電容105儲蓄了一定量的能量，在一段時間內(nèi)可以保證直流母線電壓維持在許可的范圍內(nèi)，所以這段時間內(nèi)沒有外部能量輸出逆變器也可以由直流母線電容105獲取能量，保證輸出，由此實現(xiàn)外部市電中斷，而輸出不中斷的基本功能。而如在交流市電由供給，但其交流市電上有干擾，或市電波形失真等問題，經(jīng)整流器101變換成直流后，對逆變輸出不再有影響，故接在輸出端子110上的負載也不會受輸入干擾的影響，即實現(xiàn)了改善電源品質(zhì)的作用。旁路108的作用則是在整流器101或逆變器106，或升壓器104等能量變換器出現(xiàn)意外故障時，提供直接有市電供給負載的一個通路，盡可能提高整個系統(tǒng)的可靠性。其中整流器101接在交流電網(wǎng)上，為了降低輸入電流的諧波，減少對電源的干擾。通常設(shè)計成帶有功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection)功能，具體實現(xiàn)方式請參考圖1及圖2，圖2為圖1所示不間斷電源裝置UPS中整流器101部分的控制器結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)結(jié)構(gòu)，圖2中，信號V_BUS_Ref為直流母線電壓目標(biāo)值，V_Bus為直流母線107實際電壓反饋值，Vac為交流市電電壓信號，Is為整流器輸入電流反饋信號，此控制系統(tǒng)中其中Vac交流市電信號除以該交流市電的有效值Vrms的平方取得市電波形信號V_ws，直流母線電壓目標(biāo)值與直流母線實際電壓比較，其差值經(jīng)過電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)202進行校正，電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)202可以是比例積分型校正器，市電波形信號V_ws與電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)202輸出通過乘積環(huán)節(jié)203相處乘得到電流環(huán)的給定信號Imo。電流給定信號Imo與整流器輸入電流反饋信號Is相比較，差值經(jīng)過電流環(huán)控制器204進行校正，電流環(huán)控制環(huán)節(jié)204可以是比例積分型校正器。電流環(huán)控制器204的輸出進入一個脈寬調(diào)制(PWMPulseWidthModulation)調(diào)制環(huán)節(jié)，與載波信號Vs相比較，通過高有效或低有效的邏輯得到一系列頻率固定，占空比變化的PWM_Signal信號，PWM_Signal信號送到整流器驅(qū)動電路，經(jīng)過隔離，放大就可以驅(qū)動整流器中開關(guān)管開通與關(guān)斷，實現(xiàn)整流器101輸出一個穩(wěn)定直流母線電壓，并使整流器輸入電流波形與市電電壓形狀相同，即實現(xiàn)輸入功率因素校正的目的。其中，整流器101的控制器中，提取市電波形V_ws的地方，也可以換成人工直接構(gòu)造一個正弦信號，如圖3所示。圖3的其他部分與圖2中各部分是相對應(yīng)，其工作狀態(tài)這里就不再復(fù)述。整流器的控制器可以是由硬件線路實現(xiàn)，也可以由總控制器100上的處理器(CPU)運行程序來實現(xiàn)。以上所述的系統(tǒng)，實現(xiàn)了整流器的功率因素校正的，然而，充電器也要實現(xiàn)相同的功率因素校正功能，可見系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，因此推高充電器的成本。有鑒于此，有必要提供一種更佳的方案解決上述現(xiàn)有裝置輸入功率因素低，電流失真度高，或高成本問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種改進的不間斷電源裝置。本實用新型為解決技術(shù)而采用的技術(shù)方案是提供一種不間斷電源裝置，其包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；第一電流傳感器，用于檢測該整流器輸入電流信號；第二電流傳感器，用于檢測該充電器輸入電流信號；加法器環(huán)節(jié)，用于加和該整流器輸入電流信號與該充電器輸入電流信號；以及整流器控制器，該整流器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)，其中電流內(nèi)環(huán)反饋信號為該整流器輸入電流信號加充電器輸入電流信號。本實用新型為解決技術(shù)而采用的技術(shù)方案是提供一種不間斷電源裝置，其包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；電流傳感器，用于檢測該整流器與該充電器并聯(lián)總和輸入電流信號；以及整流器控制器，該整流器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)，其中電流內(nèi)環(huán)反饋信號為該整流器與該充電器并聯(lián)總和的輸入電流信號。本實用新型為解決技術(shù)而采用的技術(shù)方案是提供一種不間斷電源裝置，其包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；電流傳感器，用于檢測該整流器與該充電器并聯(lián)總和輸入電流信號；整流器控制器，整流器采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)；一個構(gòu)造電流信號，該構(gòu)造電流信號形狀與該充電器輸入電流信號形狀相同或接近；其中，電壓環(huán)輸出信號減掉該構(gòu)造電流信號作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號。本實用新型的有益效果是，充電器不需要帶有主動功率因數(shù)校正功能，也能保證整機有較好的輸入功率因數(shù)特性，較低的輸入電流諧波失真度，因而充電器可以采用較簡單的線路結(jié)構(gòu)，因此實現(xiàn)充電器及整機的成本和性能的最優(yōu)化。以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，附圖中圖1現(xiàn)有技術(shù)典型UPS結(jié)構(gòu)框圖圖2—種整流器控制器結(jié)構(gòu)圖圖3另一種整流器控制器結(jié)構(gòu)圖圖4本實用新型的一種的UPS結(jié)構(gòu)框圖圖5本實用新型的整流器控制器控制結(jié)構(gòu)圖圖6圖4中加法器環(huán)節(jié)413的一種具體實現(xiàn)方式[0036]圖7本實用新型第2實施例，無PFC充電器接在整流器輸入電流傳感器后面圖8本實用新型的一種可實現(xiàn)整機輸入功率因素校正功能的UPS結(jié)構(gòu)圖圖9本實用新型第3實施例，加入人工構(gòu)造充電流的整流器控制器結(jié)構(gòu)圖具體實施方式請參考圖4，圖4揭示了本實用新型一種具體實施例，其中包括整流器(AC/DC)401，充電器(Charger)402，蓄電池(Battery)403，直流升壓器(DC/DC)404，直流母線(BUS)407，直流母線電容(BUSCAP)405，逆變器(DC/AC)406，交流輸入端子409，交流輸出端子410，旁路(Bypass)408，總控制器(Controller)400。其中交流輸入端子409接交流市電輸入，整流器401和充電器402并聯(lián)接在交流輸入端409，充電器402輸出接電池，電池403接充電器402外同時接至直流升壓器404，整流器401和直流升壓器404的輸出接直流母線407，直流母線407上還并接有直流母線電容405，逆變器106接到直流母線107上。旁路408的輸入接交流輸入端409，其輸出與逆變器406的輸出并聯(lián)連接，并接至交流輸出端子410，總控制器400控制整個機器各功能塊工作，即控制器從各功能塊監(jiān)測運行狀態(tài)，并向各功能塊輸出控制命令信號，控制器上有中央處理器(CPU)運行整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序。電流傳感器411檢測整流器輸入電流信號，并反饋給總控制器400。其中當(dāng)市電輸入電壓、頻率，波形等參數(shù)在正常狀態(tài)的時候，整流器401從交流輸入端子409接受交流電能，并轉(zhuǎn)換為直流電能送至直流母線407，直流母線407上的母線電容405起到儲蓄能量，抑制紋波的作用，逆變器406從直流母線407接受直流電能轉(zhuǎn)換為交流輸出供給負載(其他用電設(shè)備)，因為逆變器406的輸入是穩(wěn)定的直流電壓，并且其工作方式，狀態(tài)完全是受總控制器400控制的，所以不管輸入市電的質(zhì)量如何，其逆變器406輸出的波形和頻率等參數(shù)均可以控制得比較好；當(dāng)交流市電中斷的時候，總控制器400可以在很短的時間內(nèi)檢測出市電中斷事件，關(guān)閉整流器，并啟動直流升壓器404將蓄電池403內(nèi)儲存的能量轉(zhuǎn)換成更高電壓的直流電壓送至直流母線407，繼續(xù)由逆變器406變換成交流輸出供給負載使用，從市電中斷到檢測出中斷到啟動直流升壓器406的這段時間內(nèi)，由于直流母線電容405儲蓄了一定量的能量，在一段時間內(nèi)可以保證直流母線電壓維持在許可的范圍內(nèi)，所以這段時間內(nèi)沒有外部能量輸出逆變器也可以由直流母線電容405獲取能量，保證輸出，由此實現(xiàn)外部市電中斷，而輸出不中斷的基本功能。而如在交流市電由供給，但其交流市電上有干擾，或市電波形失真等問題，經(jīng)整流器401變換成直流后，對逆變輸出不再有影響，故接在輸出端子410上的負載也不會受輸入干擾的影響，即實現(xiàn)了改善電源品質(zhì)的作用。旁路408的作用則是在整流器401或逆變器406，或升壓器404等能量變換器出現(xiàn)意外故障時，提供直接有市電供給負載的一個通路，盡可能提高整個系統(tǒng)的可靠性。其中整流器401接在交流電網(wǎng)上，為了降低輸入電流的諧波，減少對電源的干擾。通常設(shè)計成帶有功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection)功能，具體實現(xiàn)方式請參考圖5，圖5為圖4所示不間斷電源裝置UPS中整流器401部分的控制器結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)結(jié)構(gòu)，圖5中，信號V_Bus_Ref為直流母線電壓目標(biāo)值，V_Bus為直流母線507實際電壓反饋值，Vac為交流市電電壓信號，Is為整流器輸入電流反饋信號，此控制系統(tǒng)中其中Vac交流市電信號除以該交流市電的有效值Vrms的平方取得市電波形信號乂^8，直流母線電壓目標(biāo)值與直流母線實際電壓比較，其差值經(jīng)過電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)502進行校正，其中電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)502可以是比例積分型校正器，市電波形信號V_ws與電壓環(huán)控制器環(huán)節(jié)502輸出通過乘積環(huán)節(jié)503相處乘得到電流環(huán)的給定信號Iac,電流給定信號Iac與電流反饋信號相比較，差值經(jīng)過電流環(huán)控制器504進行校正，電流環(huán)控制環(huán)節(jié)504可以是比例積分型校正器。電流環(huán)控制器504的輸出進入一個脈寬調(diào)制(PWMPulseWidthModulation)調(diào)制環(huán)節(jié)，與載波信號Vs相比較，通過高有效或低有效的邏輯判斷得到一系列頻率固定，占空比變化的PWM_Signal信號，PWM_Signal信號送到整流器驅(qū)動電路，經(jīng)過隔離，放大就可以驅(qū)動整流器中開關(guān)管開通與關(guān)斷，實現(xiàn)整流器401輸出一個穩(wěn)定直流母線電壓，并使整流器輸入電流波形與市電電壓形狀相同，即實現(xiàn)輸入功率因素校正的目的。其中，整流器401的控制器中，提取市電波形V_ws的地方，也可以換成人工直接構(gòu)造一個正弦信號。整流器的控制器可以是由硬件線路實現(xiàn)，也可以由總控制器400上的處理器(CPU)運行程序來實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于在本實用新型中，充電器402本身不需要具備功率因數(shù)校正功能，因此其輸入電流:Lchg，由充電器線路架構(gòu)和輸出電壓，運行方式獨立確定，不受整流器401的影響，波形呈非正弦狀。本實用新型實施例包含電流傳感器411和電流傳感器411，其中電流傳感器411檢測整流器輸入電流信號:Lrec，電流傳感器412檢測充電器輸入電流I_chg，電流傳感器411，電流傳感器412檢測出結(jié)果在加法器環(huán)節(jié)413相加，加法器環(huán)節(jié)413輸出電流信號反饋給總控制器400。加法器環(huán)節(jié)413可由加法運算電路或程序?qū)崿F(xiàn)，圖6給出一種有運算放大器實現(xiàn)加法電路。本實用新型的整流器控制器與前述典型的功率因數(shù)校正整流的控制結(jié)構(gòu)不變，如圖5，由于將充電器的電流信號加入，等效于整流器的電流給定信號減少了一個形狀大小如充電器輸入電流的成分，由于整流器控制器電流環(huán)控制器使得整流器輸入電流具有追蹤電流給定信號Imo的功能，因此，由電壓環(huán)控制器502的輸出與市電波形V_ws乘積獲得的正弦形的電流給定信號Iac減掉充電器輸入電流I_chg形成最終的整流器輸入電流給定信號Imo，使整流器輸入電流波形上就出現(xiàn)一個正好與充電器輸入電流反相的波形，由于整個不間斷電源UPS的總輸入電流等于整流器輸入電流與充電器輸入電流相加，所以整機輸入電流則形成正弦狀，達到整體功率因數(shù)校正的目的。另外一種實施例如圖7所示意，自身不帶功率因素校正功能的充電器702接在整流器輸入電流傳感器711后面，這樣傳感器711檢出反饋給控制器700的電流等于整流器輸入電流加充電器輸入電流。和圖4中的傳感器411輸出與傳感器412輸出通過加法運算環(huán)節(jié)413相加再反饋給總控制器400是等效的。故在同一原理下，整機輸入電流也可以實現(xiàn)追蹤輸入電壓，達到整機功率因數(shù)的功能。本實用新型再一種具體實施例結(jié)構(gòu)，如圖8、圖9所示，與圖1相比，充電器802本身同樣不具備功率因素校正功能。傳感器位置也不需要變動，僅需要在圖9所示的數(shù)字化實現(xiàn)的整流器控制器中人工構(gòu)造一個充電器輸入電流波形I_chg_COn，從電壓環(huán)控制器與市電波形提取環(huán)節(jié)乘積所得的與市電波形相同的電流給定信號Imo中減除，其中該人工構(gòu)造充電器輸入電流波形信號I_chg_COn可根據(jù)機器在典型工作條件下實際測試到的波形，編制波形表格，運行時根據(jù)時間相位讀取波形信號。也可以采用近似線性化公式模擬波形，運行中采用公式運算的方式構(gòu)造充電器波形。[0045]以上參照了本實用新型的各種優(yōu)選實施例，但是只要不背離本實用新型的實質(zhì)和范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對其進行各種形式上的修改和變更，均屬于本實用新型的保護范圍。權(quán)利要求1.一種不間斷電源裝置，包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；第一電流傳感器，用于檢測該整流器輸入電流信號；第二電流傳感器，用于檢測該充電器輸入電流信號；加法器環(huán)節(jié)，用于加和該整流器輸入電流信號與該充電器輸入電流信號；以及整流器控制器，該整流器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)，其特征是電流內(nèi)環(huán)反饋信號為該整流器輸入電流信號加充電器輸入電流信號。2.—種不間斷電源裝置，包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；電流傳感器，用于檢測該整流器與該充電器并聯(lián)總和輸入電流信號；以及整流器控制器，該整流器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)，其特征是電流內(nèi)環(huán)反饋信號為該整流器與該充電器并聯(lián)總和的輸入電流信號。3.—種不間斷電源裝置，包括整流器；充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；電流傳感器，用于檢測該整流器與該充電器并聯(lián)總和輸入電流信號；整流器控制器，整流器采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)；一個構(gòu)造電流信號，該構(gòu)造電流信號形狀與該充電器輸入電流信號形狀相同或接近；其特征是電壓環(huán)輸出信號減掉該構(gòu)造電流信號作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號。專利摘要一種不間斷電源裝置，至少包括，整流器，充電器，該充電器與該整流器并聯(lián)連接；第一電流傳感器，檢測該整流器輸入電流信號，第二電流傳感器，檢測該充電器輸入電流信號，加法器環(huán)節(jié)，加和該整流器輸入電流信號與該充電器輸入電流信號；整流器控制器，整流器采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，包括外部的電壓環(huán)及內(nèi)部電流環(huán)；其中電流內(nèi)環(huán)反饋信號為該整流器輸入電流信號加該充電器輸入電流信號。文檔編號H02J9/06GK201805271SQ201020176738公開日2011年4月20日申請日期2010年4月3日優(yōu)先權(quán)日2010年4月3日發(fā)明者孫金甫,張登,謝世華,谷宇,高奇申請人:聯(lián)正電子(深圳)有限公司