專利名稱：逆變器和充電器一體模塊化h橋串級ups單/三相系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是逆變器和充電器一體化的模塊化H橋串級UPS單相/三相系統(tǒng)，屬于電力電子逆變器系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從國際和中國市場的搜索結(jié)果來看，還沒有發(fā)現(xiàn)有逆變器和充電器一體化的模塊化H橋串級UPS單相/三相系統(tǒng)產(chǎn)品。因此，我們是第一家逆變器和充電器一體化的模塊化H橋串級UPS產(chǎn)家。傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的6管全橋逆變器，使用的是IGBT功率器件和高頻率PWM調(diào)制控制。其缺陷包括:1)在大功率條件下運行需要進行強制水冷/風冷，并且需要較大的濾波器來濾除諧波。2)如果電池電壓較低，傳統(tǒng)的UPS產(chǎn)品還需要一個比較笨重的升壓變壓器來提高輸出電壓，和電網(wǎng)負載的電壓相匹配。3)UPS產(chǎn)品定型之后，不可以修改，不能夠用單一的模塊來進行單相或者三相應(yīng)用系統(tǒng)的組態(tài)。4)必須要有獨立的電池充電器來給電池充電，不能使用逆變器來給電池充電。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提出的是一種逆變器和充電器一體化的模塊化H橋串級UPS單/三相系統(tǒng)，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，使用模塊化的H橋來構(gòu)成UPS逆變器和充電器。本實用新型的技術(shù)解決方案:逆變器和充電器一體化的模塊化H橋串級UPS三相負載三相充電系統(tǒng)，其特征是結(jié)構(gòu)包括第一 UPS逆變/充電控制主機、第一 N個A電池逆變器模塊、第一 N個B電池逆變器模塊、第一 N個C電池逆變器模塊、第一充電電感、第一切換開關(guān)和A、B、C三相負載，其中第一 UPS逆變/充電控制主機的控制信號輸出/輸入端端與第一 N個A電池逆變器模塊的信號輸入/輸出端對應(yīng)相接，第一第N個A電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的A相電網(wǎng)上的第一 A充電電感器和第一 A相負載的信號輸入端相接；第一第N個B電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的B相電網(wǎng)上的第一 B充電電感器和第一 B相負載的信號輸入端相接；第一第N個C電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的C相電網(wǎng)上的第一 C充電電感器和第一 C相負載的信號輸入端相接。本實用新型的有益效果:1)傳統(tǒng)UPS逆變器必須使用高壓IGBT/M0SFET等器件來輸出高電壓，或者使用低壓器件和變壓器來輸出高壓。本產(chǎn)品解決了用多個低壓模塊不使用變壓器來組態(tài)成單一 220V/380V電網(wǎng)電壓系統(tǒng)的問題；2)傳統(tǒng)UPS逆變器使用高壓串聯(lián)電池組來輸出高壓，對高壓電池組充電的主要問題是電池單元之間的平衡問題。本產(chǎn)品可以監(jiān)測和控制UPS系統(tǒng)中每一個小的電池單元的充放電問題，可以很好的解決高壓串聯(lián)電池組電池單元不平衡的問題；3)傳統(tǒng)UPS沒有在現(xiàn)場組態(tài)單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)的功能，本產(chǎn)品解決了單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)都可以使用單一模塊來組態(tài)實現(xiàn)的問題；4)傳統(tǒng)UPS逆變器在串連電池單元時，必須使用相同的電池單元，否則會降低整個UPS系統(tǒng)的效率或者UPS系統(tǒng)不能夠正常工作，本產(chǎn)品解決了不同品牌的電池可以在一個系統(tǒng)中混用的問題；5)傳統(tǒng)UPS需要單獨的電池充電器，不使用逆變器從電網(wǎng)上直接給電池充電。本實用新型使用逆變器從電網(wǎng)上直接給電池充電，不需要另外的電池充電器。本設(shè)備向外供電時，H橋執(zhí)行逆變器功能，電池電能通過H橋逆變成交流后向負載供電；在不向外供電，并且需要向UPS電池充電時，H橋執(zhí)行充電器功能，電網(wǎng)電能通過H橋控制后向電池充電；使用模塊化的H橋來構(gòu)成UPS逆變器/充電器。系統(tǒng)可以檢測到每一個H橋模塊的工作和故障狀態(tài)，非常方便UPS系統(tǒng)的日常維護和檢修；使用低壓功率MOSFET來建造H橋逆變器，不使用昂貴的高壓IGBT ;本產(chǎn)品使用模塊的組態(tài)可以輸出50/60Hz，120/220V單相和208/380V三相電壓；本產(chǎn)品使用接近基波頻率的器件開關(guān)頻率，器件的開關(guān)損耗和導通損耗很小，冷卻的要求很小，解決傳統(tǒng)逆變器的冷卻問題；本系統(tǒng)的總體輸出諧波很小，只需要很小的濾波器就可以達到諧波的質(zhì)量要求，解決傳統(tǒng)逆變器的濾波器問題；本產(chǎn)品只需要自然冷卻或者強制風冷，不需要水冷系統(tǒng)。

圖1是電池逆變/充電模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是多個H橋的級連連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是三相負載三相充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖4是三相負載單相充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖5是單相負載單相充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
對照附圖1，電池逆變/充電模塊的結(jié)構(gòu)有模塊化H逆變橋有四個單一的60V功率 M0SFET，即 SI 第一 MOSFET，S2 第二 MOSFET，S3 第三 MOSFET，S4 第四 MOSFET ;四個單一的60V功率MOSFET間的連接關(guān)系是:串接后的SI第一 M0SFET、S3第三MOSFET與串接后的S2第二 MOSFET、S4第四MOSFET并聯(lián)；工作時，通過控制SI第一 MOSFET，S4第四MOSFET導通，S2第二 M0SFET，S3第三MOSFET斷開來輸出正電壓；通過控制S2第二 M0SFET，S3第三MOSFET導通，SI第一 MOSFET，S4第四MOSFET斷開來輸出負電壓；通過控制SI第一 MOSFET，S2第二 MOSFET導通，S3第三MOSFET，S4第四MOSFET斷開來輸出零電壓；或者通過控制SI第一 MOSFET，S2第二 MOSFET斷開，S3第三MOSFET，S4第四MOSFET導通來輸出零電壓。對照附圖2，其結(jié)構(gòu)是第一個模塊化H逆變橋的正信號輸出端與第二個模塊化H逆變橋的負信號輸出端相接成級聯(lián)連接。對照附圖3,三相負載三相充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括第一 UPS逆變/充電控制主機、第一 N個A電池逆變器模塊、第一 N個B電池逆變器模塊、第一 N個C電池逆變器模塊、第一充電電感、第一切換開關(guān)和A、B、C三相負載，其中第一 UPS逆變/充電控制主機的控制信號輸出/輸入端端與第一 N個A電池逆變器模塊的信號輸入/輸出端對應(yīng)相接，第一第N個A電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的A相電網(wǎng)上的第一 A充電電感器和第一 A相負載的信號輸入端相接；第一第N個B電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的B相電網(wǎng)上的第一 B充電電感器和第一 B相負載的信號輸入端相接；第一第N個C電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的C相電網(wǎng)上的第一 C充電電感器和第一 C相負載的信號輸入端相接；在充電時，切換開關(guān)把逆變器的輸出通過充電電感連接到三相電網(wǎng)。這時，控制逆變器的三相輸出頻率和三相電網(wǎng)頻率相同但是逆變器的三相輸出相位角滯后三相電網(wǎng)電壓一個角度，同時控制逆變器的輸出電壓幅度，就可以把電網(wǎng)電能直接向電池充電。為了在充電時保持各個電池組之間的平衡，電池組之間的充電脈寬的控制采用周期輪換法，單個充電周期各個電池組之間不平衡，但是多個周期的電池組充電總體平衡。對照附圖4，三相負載單相充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括第二 UPS逆變/充電控制主機、第二N個A電池逆變器模塊、第二 N個B電池逆變器模塊、第二 N個C電池逆變器模塊、第二充電電感、第二切換開關(guān)和A、B、C三相負載，其中第二 UPS逆變/充電控制主機的控制信號輸出/輸入端端與第二 N個A電池逆變器模塊的信號輸入/輸出端對應(yīng)相接，第二第N個A電池逆變器模塊的信號輸出端通過第二切換開關(guān)與第一單相電網(wǎng)上的第二A充電電感器和第二 A相負載的信號輸入端相接；第二第N個B電池逆變器模塊的信號輸出端通過第二切換開關(guān)與第一單相上的第二 B充電電感器和第二 B相負載的信號輸入端相接;第二第N個C電池逆變器模塊的信號輸出端通過第二切換開關(guān)與第一單相上的第二C充電電感器和第二 C相負載的信號輸入端相接；在充電時，切換開關(guān)把逆變器的輸出通過充電電感連接到單相電網(wǎng)。這時，控制逆變器的三個輸出頻率和單相電網(wǎng)頻率相同但是逆變器的三個輸出相位角滯后單相電網(wǎng)電壓一個角度，同時控制逆變器的輸出電壓幅度，就可以把電網(wǎng)電能直接向電池充電。這時，逆變器的三個輸出是三個同頻同相的單相輸出。逆變器的中線和單相電網(wǎng)的中線連接。為了在充電時保持各個電池組之間的平衡，電池組之間的充電脈寬的控制采用周期輪換法，單個充電周期各個電池組之間不平衡，但是多個周期的電池組充電總體平衡。對照附圖5，單相負載單相充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括第三UPS逆變/充電控制主機、第三N個A電池逆變器模塊、第三N個B電池逆變器模塊、第三N個C電池逆變器模塊、第三充電電感、第三切換開關(guān)和第二單相負載，其中第三UPS逆變/充電控制主機的控制信號輸出/輸入端端與第三N個A電池逆變器模塊的信號輸入/輸出端對應(yīng)相接，第三第N個A電池逆變器模塊的信號輸出端通過第二切換開關(guān)與單相電網(wǎng)上的第三A充電電感器和第二單相負載的信號輸入端相接。逆變控制，主控制器向所有模塊同時發(fā)出PWM脈寬調(diào)制控制命令，所有的模塊同步響應(yīng)逆變控制命令。通訊技術(shù)，整個系統(tǒng)的組成是一個主從控制系統(tǒng)，主機用CAN總線或者其他通訊總線向系統(tǒng)中所有的逆變模塊發(fā)出逆變指令，同時接收模塊發(fā)送回來的逆變狀態(tài)信息和電池電壓信息，主機通過模塊的信息和根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，自動調(diào)節(jié)逆變控制指令。逆變同步信號和逆變頻率使用脈沖數(shù)字信號發(fā)出，和CAN總線的通信信號獨立。主機控制器和模塊化逆變器都使用單片機來實現(xiàn)控制和通訊。儲能電池的監(jiān)測，每一個H橋逆變器模塊在接收主機命令的同時，通過CAN通訊總線或者其他通訊總線向主機報告電池的電壓/電流信號。指示電池和逆變/充電系統(tǒng)的工作是否正常。電池充電管理，UPS系統(tǒng)不需要向每一個連結(jié)到逆變器模塊的電池組提供獨立的電池充電管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在電池電力不足時通過逆變充電器向電池組充電，在電池組滿的情況下斷開逆變充電器，保護電池。電池充電是在H橋逆變的狀態(tài)下控制總體輸出電壓滯后電網(wǎng)電壓一定相位角，這樣電網(wǎng)電能就會被電池吸收。本實用新型使用逆變器從電網(wǎng)上直接給電池充電，不需要另外的電池充電器。如圖3，圖4，圖5所示。本實用新型用低壓MOSFET，單片機來建造模塊化的H逆變橋，并組態(tài)成UPS逆變器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括一個主控制器和多個模塊，但是整個系統(tǒng)只有單一的交流輸出，每一個模塊只完成部分逆變功能；如圖1，圖2。圖3，圖4，圖5所示。本實用新型使用多個模塊的不同組態(tài)來實現(xiàn)單相系統(tǒng)充電/單相系統(tǒng)逆變，單相系統(tǒng)充電/三相系統(tǒng)逆變，三相系統(tǒng)充電/三相系統(tǒng)逆變功能；如圖1，圖2，圖3，圖4，圖5所示。本產(chǎn)品使用的輸出電壓等級可以通過模塊個數(shù)來控制；如圖3，圖4，圖5結(jié)構(gòu)，輸出電壓等級由模塊個數(shù)決定。本產(chǎn)品可以是在線UPS產(chǎn)品(電壓頻率和相位和電網(wǎng)電壓同步)，也可以是離線UPS產(chǎn)品；如見圖3，圖4，圖5所示，在線UPS和離線UPS的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，功能由軟件決定。本產(chǎn)品使用可以直接連接超級電容器等儲能裝置；如圖3，圖4，圖5所示，如果把電池換成超級電容器，會有相同的UPS功能。本產(chǎn)品使用USB或者RS-485/422通訊系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.逆變器和充電器一體模塊化H橋串級UPS單/三相系統(tǒng)，其特征是結(jié)構(gòu)包括第一UPS逆變/充電控制主機、第一 N個A電池逆變器模塊、第一 N個B電池逆變器模塊、第一 N個C電池逆變器模塊、第一充電電感、第一切換開關(guān)和A、B、C三相負載，其中第一 UPS逆變/充電控制主機的控制信號輸出/輸入端端與第一N個A電池逆變器模塊的信號輸入/輸出端對應(yīng)相接，第一第N個A電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的A相電網(wǎng)上的第一 A充電電感器和第一 A相負載的信號輸入端相接；第一第N個B電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的B相電網(wǎng)上的第一B充電電感器和第一 B相負載的信號輸入端相接；第一第N個C電池逆變器模塊的信號輸出端通過第一切換開關(guān)與三相電網(wǎng)中的C相電網(wǎng)上的第一 C充電電感器和第一 C相負載的信號輸入端相接。
專利摘要本實用新型涉及逆變器和充電器一體模塊化H橋串級UPS單/三相系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括UPS逆變/充電控制主機、N個A電池逆變器模塊、N個B電池逆變器模塊、N個C電池逆變器模塊、充電電感、切換開關(guān)和三相負載；優(yōu)點1)解決了用多個低壓模塊不使用變壓器來組態(tài)成單一220V/380V電網(wǎng)電壓系統(tǒng)的問題；2)監(jiān)測和控制UPS系統(tǒng)中每一個小的電池單元的充放電問題，解決高壓串聯(lián)電池組電池單元不平衡的問題；3)解決了單相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)都可以使用單一模塊來組態(tài)實現(xiàn)的問題；4)解決了不同品牌的電池可以在一個系統(tǒng)中混用的問題；5)使用逆變器從電網(wǎng)上直接給電池充電，檢測到每一個H橋模塊的工作和故障狀態(tài)等。
文檔編號H02J7/02GK202997658SQ201220547450
公開日2013年6月12日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者杜仲 申請人:南京博時上輝電子科技有限公司