多制式模块化UPS.pdf

本发明涉及一种多制式模块化UPS，包括显示控制模块、至少一个UPS单功率模块和集中旁路控制模块，所述的模块分别独立设置于抽屉式机架内并安装于层式框架中；其中UPS单功率模块中设有制式选择部分，由用户设定需求的模式，经中央处理器内部程序控制相应的输出电压、输出相位、输出频率，最后输出逆变驱动信号，经三电平逆变器逆变后输出正弦波交流电；当用户负载需要增加时，只需根据电力规划阶段性地增加单功率模块，具有更灵活的机动性及更好的可靠性，且本发明可架构成3/3(三相进三相出)、1/1、3/1、1/3四种电源系统，且可设置输出频率为50Hz或60Hz，输出电压有220V、230V、240V，可满足不同需求；且整机外观为层状结构，体积小，便于移动、运输和放置。

1、  一种多制式模块化UPS，其特征在于：包括显示控制模块、至少一个UPS单功率模块和集中旁路控制模块，所述的模块分别独立设置于抽屉式机架内并安装于层式框架中；
所述的UPS单功率模块包括PFC整流部分、逆变部分和控制部分；其中PFC整流部分由PFC整流及电池充电控制部分、控制检测部分和PFC整流部分电源电路组成；所述的PFC整流及电池充电控制部分接受控制模块DSP处理器的控制，用于完成市电输入的功率因数较正，以及蓄电池的充电功能；所述的控制检测部分检测市电输入电压、电池电压、市电输入电流等检测量，并送入控制模块DSP处理器对其进行控制，以完成输入电压高低的判断，电池充电电压的控制，输入总功率的检测等功能；所述的PFC整流部分电源电路将市电经DC/DC变换后产生控制检测部分所需的各种不同的供电电源；
所述的逆变部分包括逆变器保护部分、三电平逆变器、本机电流检测部分和电源电路；其中，逆变器保护部分检测三电平逆变器的过流信号，实现三电平逆变器的短路保护，检测三电平逆变器中功率管的温度，实现功率管过热保护；三电平逆变器放大控制模块DSP处理器送入的驱动信号，完成直流到交流的变换功能；本机电流检测部分检测三电平逆变器的本机输出电流，经电平转换及滤波处理后送入控制模块DSP处理器，完成三电平逆变器本机输出电流的检测功能；电源电路将交流输入电压经AC/DC变换后产生控制检测部分及UPS模块控制部分所需的供电电源。
所述的UPS模块控制部分包括控制部分电源电路、制式选择部分、中央处理器、输出电压电流检测部分、数据通信部分、平均电流检测部分和UPS单功率模块之间控制母线；其中，控制部分电源电路将DC/DC变换后的低电压进行二次DC/DC变换，形成各DSP处理器部分、各检测模块部分所需的高精度电源；制式选择部分完成单相输出、三相输出、输出频率、输出电压等多种工作制式的选择；输出电压电流检测部分检测逆变器输出电压、电流用于计算模块输出功率，控制模块均流稳定输出电压；控制模块DSP处理器为UPS单功率模块的核心部分，用于PFC整流部分、逆变部分、以及各UPS单功率模块之间的控制，其外围电路是DSP处理器工作的最小系统；数据通信部分用于完成UPS单功率模块与显示控制模块的数据通信，达到显示控制模块与UPS单功率模块的数据交换；平均电流检测部分用于完成来自均流控制母线的平均电流的计算，经电平转换滤波处理后送入控制模块DSP器完成均流控制；UPS单功率模块之间控制母线由线与电平组成，用于完成各模块状态信号的同步检测。

2、  根据权利要求1所述的一种多制式模块化UPS，其特征在于：所述的显示控制模块包括电源电路、显示装置、指令输入装置、中央处理器和数据通信部分；其中电源电路给显示控制模块各部分供电；显示装置用于完成来自中央处理器的有关UPS主要状态信号的指示以及各模块的实时数据的集中显示；指令输入装置用于完成用户操作指令的输入，经中央处理器处理后，实现与UPS单功率模块和集中旁路控制模块之间的控制和通信；中央处理器是整个模块的核心部分，由DSP处理器完成，用于集中管理显示控制模块所有逻辑判断与操作，完成与各UPS单功率模块及集中旁路的数据交换与控制；数据通信部分用于完成显示控制模块与UPS单功率模块、集中旁路控制模块之间的数据通信，实现所述各模块之间的数据传递。

3、  根据权利要求1所述的一种多制式模块化UPS，其特征在于：所述的集中旁路模块包括：旁路输入检测部分、逆变输出检测部分、旁路/逆变切换控制部分、数据通信部分、中央处理器和模块之间控制母线；其中旁路输入检测部分用于检测旁路输入电压，达到旁路的好、坏判断，检测后的旁路电压经数据通信部分送到显示控制模块供旁路电压显示；逆变输出检测部分用于检测UPS单功率模块输出母线的电压，完成逆变正常、异常的判断；旁路/逆变切换控制部分用于完成UPS逆变到旁路、旁路到逆变之间的转换功能；数据通信部分用于完成集中旁路控制模块与显示控制模块的通信和数据交换；模块之间控制母线主要由线与电平组成，完成各模块状态信号与集中旁路的同步检测。

多制式模块化UPS
技术领域
本发明涉及一种UPS(不间断电源)，尤其是一种多制式模块化UPS。
背景技术
一般的UPS就是一台整机，使用时需根据用户负载量、输入输出电源参数要求，选择不同功率的UPS电源，当UPS损坏时需转入维修旁路供电，这样在维修期间负载供电的可靠性得不到保障，且用户日后对UPS容量的扩容非常不便。
模块化UPS其本身就是一台UPS，他包含有多个“模块”组，各模块并联工作，可随意插出或插入模块的多少与功率有关。一个模块包括整流器、逆变器及附属的控制电路、CPU主控板等。与传统UPS相比，它最大的优点是能够提高系统的可靠性和可用性，因为一个模块出现故障并不影响其他模块的正常工作，并且可热插拔特性能够大大缩短系统的安装和修复时间。除此之外，模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性，这也为用户的投资起到了很好的保护作用。
从技术方面来讲，模块化UPS已经是非常成熟，但是从用户使用角度看，一种机型并不能满足所有用户的供电需求。不同的用户对供电的需求不同如：输入电压、输入频率、输出电压、输出频率、输入相数、输出相数等。所以为了满足用户不同的供电需求，必须有不同的产品以适应不同的客户要求，这样给UPS生产以及用户选择机型带来诸多不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化，高效率，体积小，结构紧凑，可同时满足不同输入、输出电压，输出、输出频率，输入、输出相数等用电参数的要求，且允许用户根据需要及预算进行有效匹配的多制式模块化UPS。
本发明的技术方案是这样的：
一种多制式模块化UPS，包括显示控制模块、至少一个UPS单功率模块和集中旁路控制模块，所述的模块分别独立设置于抽屉式机架内并安装于层式框架中；
所述的UPS单功率模块包括PFC整流部分、逆变部分和控制部分；其中PFC整流部分由PFC整流及电池充电控制部分、控制检测部分和PFC整流部分电源电路组成；所述的PFC整流及电池充电控制部分接受控制模块DSP处理器的控制，用于完成市电输入的功率因数较正，以及蓄电池的充电功能；所述的控制检测部分检测市电输入电压、电池电压、市电输入电流等检测量，并送入控制模块DSP处理器对其进行控制，以完成输入电压高低的判断，电池充电电压的控制，输入总功率的检测等功能；所述的PFC整流部分电源电路将市电经DC/DC变换后产生控制检测部分所需的各种不同的供电电源；
所述的逆变部分包括逆变器保护部分、三电平逆变器、本机电流检测部分和电源电路；其中，逆变器保护部分检测三电平逆变器的过流信号，实现三电平逆变器的短路保护，检测三电平逆变器中功率管的温度，实现功率管过热保护；三电平逆变器放大控制模块DSP处理器送入的驱动信号，完成直流到交流的变换功能；本机电流检测部分检测三电平逆变器的本机输出电流，经电平转换及滤波处理后送入控制模块DSP处理器，完成三电平逆变器本机输出电流的检测功能；电源电路将交流输入电压经AC/DC变换后产生控制检测部分及UPS模块控制部分所需的供电电源。
所述的UPS模块控制部分包括控制部分电源电路、制式选择部分、中央处理器、输出电压电流检测部分、数据通信部分、平均电流检测部分和UPS单功率模块之间控制母线；其中，控制部分电源电路将DC/DC变换后的低电压进行二次DC/DC变换，形成各DSP处理器部分、各检测模块部分所需的高精度电源；制式选择部分完成单相输出、三相输出、输出频率、输出电压等多种工作制式的选择；输出电压电流检测部分检测逆变器输出电压、电流用于计算模块输出功率，控制模块均流稳定输出电压；控制模块DSP处理器为UPS单功率模块的核心部分，用于PFC整流部分、逆变部分、以及各UPS单功率模块之间的控制，其外围电路是DSP处理器工作的最小系统；数据通信部分用于完成UPS单功率模块与显示控制模块的数据通信，达到显示控制模块与UPS单功率模块的数据交换；平均电流检测部分用于完成来自均流控制母线的平均电流的计算，经电平转换滤波处理后送入控制模块DSP器完成均流控制；UPS单功率模块之间控制母线由线与电平组成，用于完成各模块状态信号的同步检测。
所述的显示控制模块包括电源电路、显示装置、指令输入装置、中央处理器和数据通信部分；其中电源电路给显示控制模块各部分供电；显示装置用于完成来自中央处理器的有关UPS主要状态信号的指示以及各模块的实时数据的集中显示；指令输入装置用于完成用户操作指令的输入，经中央处理器处理后，实现与UPS单功率模块和集中旁路控制模块之间的控制和通信；中央处理器是整个模块的核心部分，由DSP处理器完成，用于集中管理显示控制模块所有逻辑判断与操作，完成与各UPS单功率模块及集中旁路的数据交换与控制；数据通信部分用于完成显示控制模块与UPS单功率模块、集中旁路控制模块之间的数据通信，实现所述各模块之间的数据传递。
所述的集中旁路模块包括：旁路输入检测部分、逆变输出检测部分、旁路/逆变切换控制部分、数据通信部分、中央处理器和模块之间控制母线；其中旁路输入检测部分用于检测旁路输入电压，达到旁路的好、坏判断，检测后的旁路电压经数据通信部分送到显示控制模块供旁路电压显示；逆变输出检测部分用于检测UPS单功率模块输出母线的电压，完成逆变正常、异常的判断；旁路/逆变切换控制部分用于完成UPS逆变到旁路、旁路到逆变之间的转换功能；数据通信部分用于完成集中旁路控制模块与显示控制模块的通信和数据交换；模块之间控制母线主要由线与电平组成，完成各模块状态信号与集中旁路的同步检测。
本发明为多制式模块UPS电源，主要由集中旁路控制模块及一个至多个额定容量为10KW的UPS单功率模块所构成，可采用热插拔形式随意进行扩充。用户在预计UPS容量时，通常会出现低估或高预计等情况。本发明允许用户在未来发展方向尚不明确的情况下分阶段进行建设和投资，当用户负载需要增加时，只需根据电力规划阶段性地增加功率模块，具有更灵活的机动性及更好的可靠性。本发明可架构成3/3(三相进三相出)、1/1、3/1、1/3四种电源系统，且可设置输出频率为50Hz或60Hz，输出电压有220V、230V、240V可满足不同需求；所有UPS单功率模块共享内置电池组，亦可安装成电池冗余结构；输出/输入端均有电源平衡分配处理；且整机外观为层状结构，体积小，便于移动、运输和放置。本发明最突出的优势就是能实现多种工作制式组合，能够实现三进三出、三进单出、单进三出等多种工作方式，方便用户选择。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图2为本发明的立体图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明一种多制式模块化UPS，包括显示控制模块1、UPS单功率模块2和集中旁路控制模块3和蓄电池(图中未示)，所述模块分别独立设置于抽屉式机架4内并安装于层式框架5中；
所述的显示控制模块1包括电源电路11、显示装置12、指令输入装置13、中央处理器14和数据通信部分15。
其中市电经过滤波、AC/DC变换和电池经过DC/DC变换输入至电源电路11，用于给显示控制模块1各部分供电；
显示装置12：用于完成来自中央处理器14的有关UPS主要状态信号的指示以及各模块的实时数据的集中显示，可以是LCD/LED显示器；
指令输入装置13：用于完成用户操作指令的输入，并传送至中央处理器14，以达到控制UPS的目的，进而实现与UPS单功率模块2和集中旁路控制模块3之间的通信，该指令输入装置13可以是键盘，也可以是触摸屏；
中央处理器14：是整个模块的核心部分，由DSP处理器完成，用于集中管理显示控制模块1所有逻辑判断与操作，完成与各UPS单功率模块2及集中旁路的数据交换与控制；
数据通信部分15：用于完成显示控制模块1与UPS单功率模块2、集中旁路控制模块3之间的数据通信，实现所述各模块之间的数据传递。
所述的UPS单功率模块2包括PFC整流部分21、逆变部分22和控制部分23。
其中PFC整流部分21：由市电输入缓启动模块212和电池输入缓启动模块211、PFC整流及电池充电控制部分213、控制检测部分214和PFC整流模块电源电路215组成。
其中市电输入缓启动模块212：位于UPS单功率模块2的市电输入端，用于对市电在合闸瞬间对滤波电容产生的大冲击电流，进行预充电，防止损坏接插件及整流器件；
电池输入缓启动模块211：位于UPS单功率模块2的电池输入端，用于对电池在合闸瞬间对电容产生的大冲击电流，进行预充电，防止接插件受损；
PFC整流及电池充电控制部分213：接受控制模块DSP处理器235的控制，用于完成市电输入的功率因数较正，以及蓄电池的充电功能；
控制检测部分214：用于检测经过功率因数校正的市电输入电压、市电输入电流、电池电压等检测量，并送入控制模块DSP处理器235对其进行控制，以完成输入电压高低的判断，电池充电电压的控制，输入总功率的检测等功能；
PFC整流模块电源电路215：将市电经DC/DC变换后，产生控制所需的各种不同的供电电源；
所述的逆变部分22包括逆变器保护部分221、三电平逆变器222、本机电流检测部分223、隔离驱动部分224和逆变部分电源电路225。
其中逆变器保护部分221：接受控制模块DSP处理器235的控制，用于检测三电平逆变器222的过流信号，实现三电平逆变器222的短路保护，检测三电平逆变器222中功率管的温度，实现功率管过热保护；
三电平逆变器222：又称三相逆变器，用于放大控制模块DSP处理器235送入的驱动信号，完成直流到交流的变换功能；
本机电流检测部分223：用于检测三电平逆变器222的本机输出电流，经电平转换及滤波处理后送入控制模块DSP处理器235，完成三电平逆变器222本机输出电流的检测功能；
隔离驱动部分224：用于将控制模块DSP处理器235发出的三相逆变驱动信号，进行电平转换、电气隔离后，驱动三电平逆变器222中的功率管，达到三相逆变功能；
逆变部分电源电路225：用于将交流输入电压经AC/DC变换后，产生控制检测部分及UPS单功率模块控制部分所需的各种不同供电电源。
所述的控制部分23包括控制部分电源电路231、模块通信地址选择部分232、制式选择部分233、模块状态显示器234、控制模块DSP处理器235及其外围电路236、逆变驱动电平转换部分237、逆变输出电压及电流检测部分238、数据通信部分239、平均电流检测部分240和UPS单功率模块之间控制母线241。
其中控制部分电源电路231：将市电经DC/DC变换后的低电压，进行二次DC/DC变换，形成控制模块DSP处理器235及各种检测模块所需的高精度电源。
模块通信地址选择部分232：完成UPS单功率模块2与显示控制部分1的通信地址的设定；
制式选择部分233：先经由用户设定需求的模式，经控制模块DSP处理器235译码分析需要控制的参数，最后由控制模块DSP处理器235内部程序控制相应的输出电压、输出相位、输出频率，最后输出逆变驱动信号，经三电平逆变器222逆变后输出正弦波交流电；用户只需在开机前选择好相应的工作方式及输入输出电压频率，控制模块DSP处理器235在上电初始化时，按用户要求初始化相应数据，输出用户要求的输入输出参数，完成多种工作制式的选择功能；
模块状态显示器234：从LED发光二极管的发光模式表示UPS单功率模块2不同的工作状态。
控制模块DSP处理器235及其外围电路236：主要完成整机各部分的控制，其外围电路是控制模块DSP处理器235工作的最小系统；
逆变驱动电平转换部分237：将控制模块DSP处理器235发出的3.3V微小信号转换成三电平逆变器222中功率管所需的+15V功率信号；
逆变输出电压及电流检测部分238：将三电平逆变器222的输出电压、输出电流经电平转换滤波处理后，送入控制模块DSP处理器235完成输出电压反馈及均流控制；
数据通信部分239：用于完成UPS单功率模块2与显示控制模块1的数据通信和数据交换；
平均电流检测部分240：用于完成平均电流的计算，经电平转换滤波处理后送入控制模块DSP处理器235完成均流控制；
UPS单功率模块之间控制母线241：主要由线与电平组成，完成各UPS单功率模块2状态信号的同步检测。
所述的集中旁路控制模块3包括旁路输入检测部分31、逆变输出检测部分32、旁路/逆变切换控制部分33、集中旁路控制模块DSP处理器34、数据通信部分35和UPS单功率模块之间控制母线36。
其中旁路输入检测模块31：用于检测旁路输入电压，达到旁路好、坏判断，检测后的旁路电压经数据通信部分35送到显示控制模块1，提供旁路电压的显示；
逆变输出检测部分32：用于检测UPS单功率模块2输出母线的电压，完成逆变正常、异常的判断；
旁路/逆变切换控制部分33：完成UPS逆变到旁路、旁路到逆变之间的转换功能；
数据通信部分35：完成集中旁路控制模块3与显示控制模块1的通信和数据交换。
UPS单功率模块之间控制母线36：主要由线与电平组成，完成各UPS单功率模块状态信号与集中旁路的同步检测。
以下分三种工作方式讲述本发明的工作原理；
市电工作状态；交流输入电压从“输入电压并联母线”输入送至UPS单功率模块2，其中PFC整流部分21检测到市电输入电压正常，则PFC整流部分电源电路215工作，产生UPS单功率模块控制部分23所需的电源；UPS单功率模块控制部分23有电源供电后开始复位，控制模块DSP处理器235执行程序实始化操作，初始化完成后，发送开通PFC整流信号，PFC整流、电池充电控制部分213检测到控制模块DSP处理器235发送的命令后，开始工作产生+432V、-432V直流电压信号，通过4号总线送到逆变部分22的三电平逆变器222以提供直流电能。PFC整流部分21在产生+432V、-432V直流电压的同时，对并联在正、负直流母线的电池进行充电。
当PFC整流工作完成后，控制模块DSP处理器235便发出三电平逆变器222所需的逆变驱动信号，这时三电平逆变器222输出三相或单相交流电压(输出电压的相位取决于制式选择部分233提供的选择信号)送到输出电压并联母线与其它模块并联工作。UPS单功率模块控制部分23的逆变电压及电流检测部分238检测逆变器222的输出电压，送到控制模块DSP处理器235进行反馈调节，达到稳定输出电压的目的。平均电流检测部分240检测所有模块的平均电流，送到控制模块DSP处理器235使各模块的输出电流一致，达到并联均流的目的。
输出电压并联母线的交流电压，送到集中旁路控制模块3的逆变输入端，经旁路/逆变切换控制部分33后送到UPS输出，为负载提电能，当输出为单相时，需将UPS输出的三相火线短接。
电池工作状态：当交流输入停电后，PFC整流部分21停止工作，此时由于电池并联于正、负直流母线，所以三电平逆变器221电路一直有直流电压提供，继续逆变成交流电压，由于在市电停电后，PFC整流部分电源电路215不能向UPS单功率模块控制部分23提供电源，此时UPS单功率模块控制部分23由逆变板电源向UPS单功率模块控制部分23提供电能。UPS单功率模块控制部分23的工作不会受停电影响。
其它情况与市电正常情况一样，经逆变器222产生的交流电压送到输出电压并联母线，然后送到集中旁路控制模块3的逆变输入端，经旁路/逆变切换控制部分33后送到UPS输出，为负载提电能。当输出为单相时，需将UPS输出的三相火线短接。
当UPS损坏时，如发生UPS过载或其它致命性故障，UPS单功率模块2发出故障信号，经模块之间控制母线241送至各模块，达到同步切换的目的，集中旁路检测到故障信号，立即开通旁路电源经输入电压并联母线、旁路/逆变切换控制部分33后送至输出，达到旁路输出的目的。此过程处理很快在uS级就可完成切换，所以在切换旁路供电时输出是不间断的。
显示控制模块1用于整机的状态、运行参数的显示，用户对整机的操作也是通过显示控制模块1来完成后，UPS单功率模块2和集中旁路控制模块3的运行状态和实时参数，通过其数据通信部分239传送至显示控制模块1，数据通信部分239采用了SPI通信方式，在信号传输部分采用了差分传输方式，可以提高通信的抗干扰能力。