專利名稱：移動車載在線式專用ups雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)涉及 到一種移動在線式專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)，包括雙轉(zhuǎn)換在線式UPS主機以及并機模塊單元，兩臺UPS主機并聯(lián)連接，兩臺UPS主機一臺為主機，另外一臺為輔機。并機模塊單元檢測UPS輔機輸出電流和UPS主機的輸出電流的偏差，并機模塊單元根據(jù)UPS輔機輸出電流偏差來調(diào)整UPS輔機自身逆變電壓。本發(fā)明在并聯(lián)的二臺UPS機中指定一臺作為主機，而另外一臺作為輔機，不需要進行任何的改動，二臺UPS的輸出電流檢測和均流控制全部在并機模塊單元中完成，該發(fā)明在具體實施時沒有任何局限性，極大增強了 UPS電源的使用機動靈活性。
背景技術(shù)：
對于重要的移動專用UPS電源，為防止在移動中出現(xiàn)電源故障，從而使整個供電系統(tǒng)失電而導(dǎo)致設(shè)備癱瘓的情況，移動專用在線式UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)可對整個系統(tǒng)進行雙機UPS配電，從而使在移動中的應(yīng)急指揮系統(tǒng)會更安全可靠。移動在線式專用UPS雙機幾余并聯(lián)系統(tǒng)是移動領(lǐng)域(專指在移動中的車輛、船舶)用來對負(fù)載進行斷電保護的關(guān)鍵設(shè)備。對于斷電保護，針對不同的負(fù)載應(yīng)用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設(shè)備，當(dāng)斷電發(fā)生時，UPS電源需要為負(fù)載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時間。在這段后備時間之內(nèi)，負(fù)載設(shè)備會進行數(shù)據(jù)存儲等動作以防數(shù)據(jù)丟失之后負(fù)載就會關(guān)機，在UPS達到后備時間之后負(fù)載仍然會斷電，但這不會導(dǎo)致經(jīng)濟損失。另外一種是在數(shù)據(jù)中心，以及工業(yè)應(yīng)用之類的場合，對UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統(tǒng)必須提供整年每天24小時的連續(xù)供電。電源系統(tǒng)的可靠性通?？梢允褂肕TBF(平均故障間隔時間，或者平均無故障工作時間，以小時表示)來表示，此外還有一個更加容易理解的指標(biāo)AFR(年失效率)。AFR和MTBF成反比關(guān)系，也就是AFR = 8760/MTBF。因此MTBF越長，則年失效率越低。對于可維修的系統(tǒng)來說，還有一個可用性的指標(biāo)，其定義是A = MTBF/(MTBF+MTTR)其中A是一個百分比指標(biāo)，MTTR值得是平均故障修復(fù)時間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以非?？焖俚幕謴?fù)，那么系統(tǒng)的可用性指標(biāo)就比較高。對于電網(wǎng)這類對象來說，使用可用性指標(biāo)可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關(guān)鍵場合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來說，可用性指標(biāo)比可靠性指標(biāo)更具有現(xiàn)實意義?？煽啃?可用性指標(biāo)都是統(tǒng)計意義上的概念，一個電源系統(tǒng)的可靠性/可用性與構(gòu)成系統(tǒng)的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統(tǒng)計意義上的關(guān)聯(lián)。假設(shè)電源系統(tǒng)中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯(lián)工作的，其中一個和另外一個是互相獨立的。那么考察這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可用性Al與A2的關(guān)系就有Asys = I-(I-AFRl) X (1-AFR2)另外一種可能是系統(tǒng)中這兩個模塊是串聯(lián)的。那么這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性Al，A2的關(guān)系就有Asys = Al X A2由于可用性肯定是處于O I之間的數(shù)值，因此兩個并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯(lián)模塊的可用性要低于各自的可用性，由此可見移動專用UPS電源的可靠性是放在首位考慮的。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高移動在線式UPS電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通常采用并聯(lián)均流冗余方案。在此方案實施過程中，存在相互并聯(lián)的機器一般需要相同廠家生產(chǎn)的相同型號的產(chǎn)品進行均流并聯(lián)運行，甚至有些產(chǎn)品還必須將所并聯(lián)的產(chǎn)品在廠家并聯(lián)調(diào)試后才能真正并聯(lián)運行。在原有產(chǎn)品中參與并聯(lián)的UPS機子都需要配置相關(guān)的均流電路，如果沒有預(yù)先配置均流電路，就不可能進行冗余并機。所以，現(xiàn)有的并聯(lián)冗余方案在具體實施中存在相當(dāng)大的局限性。本發(fā)明的目的在于提供一種移動在線式UPS雙并聯(lián)冗余電源系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有UPS并聯(lián)冗余技術(shù)在具體實施過程中局限性的難以操作的問題。
本發(fā)明用于移動專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。本發(fā)明第一提供一個高效率的移動專用在線式UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。本發(fā)明第二提供一個高可靠性的移動專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。本發(fā)明第三提供一個具有多交流輸入接口的移動專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。本發(fā)明第四加入了一個特性和電池互補的備用電源的移動專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。


圖I :移動在線式專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)框2 :交流電源輸入自動轉(zhuǎn)換開關(guān)框3:并機模塊控制框4 =SPWM正弦脈寬調(diào)制波型5 :逆變電源主電路與微處理器接口
(五)具體實施方案根據(jù)以上所述現(xiàn)作以下詳盡闡述，并結(jié)合所附附圖進行解讀，這樣以上所述本發(fā)明的特點、性能及優(yōu)點將顯而易見。I、圖I中區(qū)|是UPS主機；[3是UPS輔機；[ΠΙ為雙機公用蓄電池組；工作過程如下I. I市電輸入工作狀態(tài)在圖2中市電從①輸入一③轉(zhuǎn)換開關(guān)的al和a2加到轉(zhuǎn)換開關(guān)中的線圈④一線圈④得電工作而動作一一對常閉觸頭bl/b2動作接到al/a2位置一輸出電能。I. 2外接發(fā)動機輸入工作狀態(tài)當(dāng)市電中斷時，線圈④失電一bl/b2觸頭返回到原始工作狀態(tài)位置，外接發(fā)動機從②輸入一經(jīng)bl/b2觸頭一輸出電能。在市電停電后切換到發(fā)電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間無市電條件下UPS系統(tǒng)的可用性。I. 3當(dāng)車在移動過程中，此時無市電及外接發(fā)動機，設(shè)備所需交流電能通過汽車發(fā)動機⑩一整流橋⑨一蓄電池組⑥一給兩臺UPS提供電源，經(jīng)逆變器輸出交流電源。
2、對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發(fā)生時繼續(xù)維持供電的關(guān)鍵，但是串聯(lián)環(huán)節(jié)最多，也恰恰是可用性最為薄弱的環(huán)節(jié)。一般電池規(guī)格書里面會說明充電電流不要超過O. 15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數(shù)倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續(xù)工作的，只要在電池放完前市電恢復(fù)，在重新充電的過程中也沒有再發(fā)生斷電，那么負(fù)載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發(fā)生短時間的斷電情況下還是很高的。從圖I來審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個充電器模塊環(huán)節(jié)。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無法再充回，導(dǎo)致下一次市電停電時負(fù)載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時才會工作，因此如果能夠及時對充電器的狀態(tài)進行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)充電器異常時及時報警，就能夠避免充電器故障帶來的問題，從而提升整個UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過電池狀態(tài)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)電池失效并及時更換，也能夠有效提升UPS的可用性。
在圖3中④微處理器檢測⑩充電器的輸出狀態(tài) ，當(dāng)⑩充電器的輸出狀態(tài)異常時，④微處理器將發(fā)出報警信號提示操作人員予以檢查。④微處理器通過⑧傳感器還將檢測⑨蓄電池組的電壓、電流、溫度參數(shù)，將檢測的參數(shù)處理后送(O到⑩充電器，發(fā)出充電、浮充、停止充電等指令；如果⑨蓄電池組出現(xiàn)問題④微處理器發(fā)出報警信號提示操作人員予以檢查。3、并機控制模塊是兩臺UPS并聯(lián)時，用來控制UPS之間的環(huán)流電流的。原理就是互相通報其它UPS的運行參數(shù)，然后根據(jù)其他UPS的運行參數(shù)來調(diào)整這臺UPS的運行狀態(tài)，保證輸出的電能不是流向其他的UPS，而是流向負(fù)載。在圖I中交流電源分三路，一路經(jīng)(④整流器一⑩逆變器一 開關(guān)單元；二路經(jīng)⑥充電器一 蓄電池組；三路經(jīng)⑦整流器一變器一輸出。詳細(xì)工作過程(參考圖I和圖3):上電后第三路經(jīng)⑦整流器一 逆變器一輸出提供負(fù)載工作電源；此時只有UPS主機I工作，在同頻同相未實現(xiàn)之前，UPS2輔機對負(fù)載的輸出是關(guān)閉的。 傳感器I和 傳感器2將檢測到的UPSl主機和UPS2輔機的幅值、
頻率、相位差信號送到 并機模塊中， 并機模塊中的微處理器經(jīng)過運算處理，從 并機模塊輸出PWM信號到UPS2輔機，用以控制UPS2輔機逆變器，當(dāng)檢測到UPS2輔機與UPSl主機幅值、頻率、相位差信號一致時，打開Θ開關(guān)單元將UPS2輔機置于輸出狀態(tài)，使得雙機處于冗余并機工作狀態(tài)。4、微處理器的SPWM正弦波脈寬調(diào)制方法SPWM正弦脈寬調(diào)制法是采用調(diào)制波為正弦波、載波為三角波的一種脈寬調(diào)制方法，可廣泛應(yīng)用于逆變器電源上。SPWM的輸出波形控制算法有面積等效法、自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法等，本發(fā)明采用脈寬調(diào)制波的面積等效法來實現(xiàn)SPWM控制。圖4所示是其SPWM波形圖，該方法將半個周期的正弦波波形分成N等分，從而把該正弦波看成是由N個彼此相連的脈沖所組成，這些脈沖寬度相等(都等于π/N)，幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果能把這種脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，并使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合。且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦部分的面積脈沖量相等，那么，就可以得到相應(yīng)的脈沖序列。這樣，再使各脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，同時使矩形波與正弦波等效，就可以實現(xiàn)SPWM正弦脈寬調(diào)制。正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù).一般用三角波P c作為載波信號，正弦波ug = UgmSin2 n fgt作為調(diào)制信號，根據(jù)μ和yg的交點得到一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖信號。則可以定義調(diào)制比m = Ugm/Ucm,步頁率 I匕 K = fc/fa = Tg/Tco。正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對稱三角波，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒有零電平，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路。實際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù)，使得輸出電壓μ O具有奇函數(shù)對稱和半波 對稱的性質(zhì)，UC無偶次諧波。但是輸出電壓μ c中含有比較嚴(yán)重的n = K次中心諧波以及n = jk±6次邊頻諧波。其控制信號為相位互補的兩列脈沖信號。5、在圖5中藍色框圖內(nèi)為UPS的逆變器單元，它采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭，另一端接在開關(guān)管SI及S2的中點?？刂芐I及S2輪流導(dǎo)通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經(jīng)過變壓器升壓、整流和濾波在電容Cl上得到約370V直流電壓。對Sa Sd組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過電感L、電容C2濾波后，最終在負(fù)載上得到220V、50Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實現(xiàn)前后級之間的隔離，有利于提高系統(tǒng)的安全性。該逆變電源的控制電路也分為兩部分。前級推挽升壓電路由dsPIC30F1010單片機中的電源PWM模塊控制，采樣變壓器繞組電壓實現(xiàn)電壓閉環(huán)反饋控制。后級逆變電路由單片機控制，采樣母線電壓實現(xiàn)電壓前饋控制。本系統(tǒng)以dsPIC30F1010單片機為核心，晶振選用33. 8688MHz，單字長定點指令平均執(zhí)行速度工作速度最高為30MIPS，dsPIC30F1010單片機中的電源PWM模塊特性· 4個具有8路輸出的PWM發(fā)生器·每個PWM發(fā)生器具有獨立的時基和占空比·當(dāng)工作在30MIPS時占空比分辨率為I. Ins·每個PWM發(fā)生器具有獨立的死區(qū)時間-工作在30MIPS時死區(qū)時間分辨率為4.2ns-上升和下降沿的死區(qū)時間·相移分辨率為 4. 2nsi30MIPS·頻率分辨率為 8. 4nsi30MIPSS6、在圖I中除了市電和外接發(fā)動機通過充電器給蓄電池組予以充電外，在汽車移動過程中， 汽車發(fā)動機通過 整流器3也可以給蓄電池組充電，同時逆變器將此直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨?fù)載供電，大大提高了蓄電池組自身的使用壽命和延長了蓄電池組電能的消耗時間，這也是本發(fā)明的一個重要特點。7、在線式UPS工作特點在線式UPS在工作時，首先將市電轉(zhuǎn)化為直流電給UPS電池充電，同時逆變器將此直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨?fù)載供電，由于市電經(jīng)過了交流到直流、再到交流的轉(zhuǎn)換過程，所以市電中原有的干擾和脈沖電壓成分已經(jīng)過濾得非常干凈，因此，由在線式UPS逆變出來的電壓很穩(wěn)定。由于逆變電路始終在工作，所以當(dāng)停電時，UPS能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對負(fù)載進行供電，從而達到了輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)。這也是本發(fā)明為什么選擇在線式UPS的目的.本發(fā)明中，在并聯(lián)的兩臺UPS機中指定一臺普通的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS作為主機，而另外一臺也只是普通的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS,不需進行任何改動。兩臺UPS的輸出電流檢測和均流控制全部在并機模塊單元中完成，該技術(shù)在具體實施中沒有任何局限性，極大增強了 用戶配置UPS電源的機動性。凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、替換、改進，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種移動式在線式專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于，包括普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS主機(UPS1主機)以及普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS輔機(UPS2輔機)。普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS主機(UPSI主機)與普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS輔機(UPS2輔機)的并聯(lián)連接。并機模塊單元檢測普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS輔機的幅值、相位、頻率并與UPS主機(UPS1主機)的幅值、相位、頻率進行比較，根據(jù)比較的偏差自動調(diào)整普通雙轉(zhuǎn)換型在線UPS輔機逆變器的逆變電壓，當(dāng)偏差為零時迅速投切使得整個電源成為雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的車載專用UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于所述UPS主機包括與市電和外接發(fā)動機相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)；與轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接的整流器I ;與整流器I相連接的逆變器I ;與逆變器I相連接的傳感器I和電子開關(guān) ;與傳感器I相連接的并機模塊輸入信號。于所述其UPS輔機包括與市電和外接發(fā)動機相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)；與轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接的整流器2 ;與整流器2相連接的逆變器2 ;與逆變器2相連接的傳感器2和并機模塊輸入信號。
3.如權(quán)利要求2所述充電器與市電和外接發(fā)動機相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)相連接充電器輸出連接到蓄電池組對其充電；充電器輸出連接有鉗位二極管Dl和D2 ;鉗位二極管Dl和D2分別連接到逆變器I和逆變器2的輸入端，在無外供電源時通過蓄電池組提供給主副逆變器電源，保證UPS系統(tǒng)的正常工作。
4.如權(quán)利要求3所述蓄電池組與整流器3相連接；整流器3與汽車發(fā)電機相連接，利用汽車發(fā)動機給蓄電池組充電，大大提高了蓄電池組的使用壽命。
5.如權(quán)利要求4所述蓄電池組與并機模塊相連接，用以傳輸蓄電池組的電壓、電流、溫度信號。
6.如權(quán)利要求5所述并機模塊與充電器相連接，根據(jù)蓄電池組的狀態(tài)控制充電器的工作狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述并機模塊與傳感器I和傳感器2相連接，接收來自主輔逆變器的幅值、頻率、相位差息。
8.如權(quán)利要求7所述并機模塊與輔逆變器相連接，輸出PWM信號控制輔逆變器輸出狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明適用于電源技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種移動在線式UPS雙機冗余并聯(lián)系統(tǒng)，包括雙轉(zhuǎn)換在線式UPS主機以及均流控制UPS輔機，兩臺UPS機并聯(lián)連接，UPS輔機檢測自身輸出電流和UPS主機的輸出電流的偏差，根據(jù)輸出電流偏差來調(diào)整自身逆變電壓。本發(fā)明在并聯(lián)的二臺UPS機中指定一臺作為均流控制主機，而另外一臺作為普通在線式UPS，不需要進行任何的改動，二臺UPS的輸出電流檢測和均流控制全部在均流控制輔機中完成，該發(fā)明在具體實施時沒有任何局限性，極大增強了UPS電源的使用機動靈活性。
文檔編號H02J7/00GK102723772SQ20111007937
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者呂鳳鳴, 曾凡玖, 蔣學(xué)軍, 許祝 申請人:中國人民解放軍77100部隊司令部通信處, 重慶市星海電子有限公司