專利名稱：無(wú)觸點(diǎn)智能補(bǔ)償型超低功耗不間斷電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于不間斷電源。
技術(shù)背景UPS電源是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè) 備。當(dāng)市電正常輸入時(shí)，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量 儲(chǔ)存在電池中；當(dāng)市電中斷(事故停電)或輸入故障時(shí)，UPS將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220V 交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。日前市場(chǎng)上供 應(yīng)的UPS電源設(shè)備種類較多，UPS按工作模式可分為后備式、在線式和互動(dòng)式3大類。后備式UPS電源在市電正常供電時(shí)，市電通過(guò)交流旁路通道再經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直接向負(fù)載提供電源。 機(jī)內(nèi)的逆變器處于停止工作狀態(tài)，這時(shí)的UPS電源實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)性能較差的市電穩(wěn)壓 器。它除了對(duì)市電電壓的幅度波動(dòng)有所改善外，對(duì)電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網(wǎng)侵 入的干擾等不良影響基本上沒(méi)有任何改善。只有當(dāng)市電供電中斷或低于逆變啟動(dòng)電壓時(shí)， 蓄電池才對(duì)UPS逆變器供電，并向負(fù)載提供穩(wěn)壓、穩(wěn)額的方波交流電源。后備式UPS具有電 路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是其輸出電壓穩(wěn)定精度差，由市電轉(zhuǎn)逆工作時(shí) 會(huì)有一段轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般不大于10ms。另外受切換電流和動(dòng)作時(shí)間的限制，輸出功率一般較 小，一般后備式正弦波輸出UPS，容量在2kVA以下，后備式方波輸出UPS容量在IkvA以下。在線式UPS電源在市電正常供電時(shí)，它首先將市電交流電源經(jīng)整流變成直流電源，然后進(jìn)行脈寬 調(diào)制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉(zhuǎn)換成正弦波交流電源向負(fù)載供電。一旦市電中斷， 立即改由蓄電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負(fù)載提供正弦波交流電源。因此，對(duì)在線式UPS 電源而言，在正常情況下，無(wú)論有無(wú)市電，它都是由UPS電源的逆變器對(duì)負(fù)載供電，這樣就 避免了所有由市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)及干擾而帶來(lái)的影響。顯而易見(jiàn)，在線式UPS電源的供電 質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，而且在由市電 供電轉(zhuǎn)換到蓄電池供電時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。真正給用戶提供優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的純凈正弦 波電源，從而提供符合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要的電源保護(hù)。但是由于在線式UPS開(kāi)機(jī)后逆變器始終 處于工作狀態(tài)，因此存在著較大的開(kāi)關(guān)器件損耗，目前在線式UPS的效率最高為85-94%左 右ο互動(dòng)式UPS電源互動(dòng)式UPS電源也被稱為3端口式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的 角度來(lái)考慮，其變壓器存在3個(gè)能量流動(dòng)的端口 端口 1連接市電輸入；端口 2通過(guò)雙向變 換器與蓄電池相連；端口 3輸出。市電供電時(shí)，交流電經(jīng)端口 1流入變壓器，在穩(wěn)壓電路的 控制下選擇合適的變壓器抽頭接入，同時(shí)在端口 2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能 量轉(zhuǎn)換共同調(diào)節(jié)端口 3上的輸出電壓，以此來(lái)達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果；市電掉電時(shí)，蓄電池 通過(guò)雙向變換器經(jīng)端口 2給變壓器供電，維持端口 3上的交流輸出?；?dòng)式UPS電源在變壓器抽頭切換的過(guò)程中，雙向變換器作為逆變器方式工作。蓄電池供電，因此能實(shí)現(xiàn)輸出電 壓的不間斷，同樣在由市電供電到電池供電的切換過(guò)程中也能做到?jīng)]有轉(zhuǎn)換時(shí)間?；?dòng)式 UPS電源的電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，沒(méi)有單獨(dú)的充電器，帶來(lái)的是生產(chǎn)成本的降低和可靠性的提高。 這類產(chǎn)品在市電供電工作時(shí)也不存在AC/DC、DC/AC的轉(zhuǎn)換，使整機(jī)效率有所提高?；?dòng)式 UPS很好地結(jié)合了后備式UPS和在線式UPS的許多優(yōu)點(diǎn)，是一種很不錯(cuò)的變換形式。但是由 于它使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問(wèn)題。智能型UPS是當(dāng)今UPS的一大發(fā)展趨勢(shì)，隨著UPS在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)管理者 強(qiáng)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為保護(hù)對(duì)象，希望整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍然可以繼續(xù) 工作而不中斷。因此UPS內(nèi)部配置微處理器使之智能化是UPS的新趨勢(shì)，UPS內(nèi)部硬件與 軟件的結(jié)合，大幅度提高了 UPS的功能，可以監(jiān)控UPS的運(yùn)行工作狀態(tài)，如UPS輸出電壓頻 率，電網(wǎng)電壓頻率、電池狀態(tài)以及故障記錄等。還可以通過(guò)軟件對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)、自動(dòng)放電 充電，以及遙控開(kāi)關(guān)機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)管理者就可以根據(jù)信息資料分析供電質(zhì)量，依據(jù)實(shí)際情況 采取相應(yīng)的措施。當(dāng)UPS檢測(cè)出供電電網(wǎng)中斷時(shí)，UPS自動(dòng)切換到電池供電，在電池供電能 力不足時(shí)立即通知服務(wù)器做關(guān)機(jī)的準(zhǔn)備工作并在電池耗盡前自行關(guān)機(jī)。智能型UPS通過(guò)接 口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，從而使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠監(jiān)控UPS，因此其管理軟件的功能就顯得極其 重要。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的不間斷電源存在的效率低、容量小、體積大而且市電與逆變的切 換需要一定的時(shí)間的不足，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出一種高精度、大容量、長(zhǎng)壽命以及高集成度的 調(diào)壓凈化模塊，從而設(shè)計(jì)出一種效率很高、體積很小并且實(shí)現(xiàn)了市電與逆變的不間斷切換 的智能型高效節(jié)能不間斷電源(UPS-HPR)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是市電經(jīng)過(guò)輸入開(kāi)關(guān)進(jìn)入高精度 智能調(diào)壓模塊，通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)控制器控制STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)選通市電輸出回路，然后為負(fù)載提 供高精度穩(wěn)定的正弦電壓波形；與此同時(shí)通過(guò)高精度智能調(diào)壓模塊輸出的穩(wěn)定電壓，經(jīng)過(guò) 雙向逆變器為電池進(jìn)行浮充電。當(dāng)市電異常時(shí)，由電池輸出直流電平經(jīng)過(guò)雙向逆變器輸出 穩(wěn)定、純凈的正弦波，并由智能網(wǎng)絡(luò)控制器控制STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)選通逆變輸出回路，為負(fù)載提 供穩(wěn)定交流電源；同時(shí)有智能網(wǎng)絡(luò)控制器關(guān)斷輸入開(kāi)關(guān)，防止雙向逆變器向電網(wǎng)饋電。當(dāng)市 電正常的時(shí)候，因?yàn)榻?jīng)過(guò)逆變器的能量只為電池充電，因此能量消耗很少，大部分能量直接 經(jīng)過(guò)調(diào)壓模塊供給負(fù)載，使得效率比一般在線式UPS大幅度提高；當(dāng)市電異常時(shí)，雖然啟動(dòng) 了逆變器，但是因?yàn)槭∪チ苏髌鞯墓β蕮p耗，也大大提高了效率。同時(shí)，由于采用了 STS 靜態(tài)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了由市電回路向逆變回路的無(wú)間斷切換。本高精度智能調(diào)壓模塊采用三個(gè)補(bǔ)償變壓器，將其次級(jí)串入到主回路中，當(dāng)市電 輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換芯片LTC1966將交流電壓值直接轉(zhuǎn)換為直 流電壓值，然后經(jīng)過(guò)精密放大器送入單片機(jī)進(jìn)行采樣，單片機(jī)經(jīng)過(guò)邏輯判斷通過(guò)達(dá)林頓陣 列ULN2003輸出高低電平用以控制多全橋切換電路中的相應(yīng)晶閘管的通斷，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償變壓 器線圈的不同組合，從而對(duì)市電電壓的正、負(fù)波動(dòng)值進(jìn)行有級(jí)補(bǔ)償。當(dāng)市電電壓大于標(biāo)稱值 時(shí)進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，當(dāng)市電電壓低于標(biāo)稱值時(shí)進(jìn)行正補(bǔ)償。本實(shí)用新型的有益效果是，通過(guò)采用高精度智能調(diào)壓模塊，大幅度提高了不間斷電源的效率，達(dá)到了節(jié)能減排的社會(huì)效應(yīng)，并且使用了雙向逆變器，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積 減小。

圖1所示對(duì)UPS整體結(jié)構(gòu)與工作原理的信息描述。圖2所示對(duì)智能調(diào)壓模塊的基本硬件結(jié)構(gòu)與工作原理的信息描述。
具體實(shí)施方式
在圖1中，當(dāng)市電100存在時(shí)，經(jīng)過(guò)101輸入開(kāi)關(guān)進(jìn)入102智能調(diào)壓模塊，通過(guò)103 智能網(wǎng)絡(luò)控制器控制106STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)選通市電輸出回路，為負(fù)載提供107高精度穩(wěn)定的正 弦電壓波形；與此同時(shí)通過(guò)102輸出的穩(wěn)定電壓，經(jīng)過(guò)105雙向逆變器(當(dāng)有市電時(shí)，逆變 方向?yàn)锳C-DC，當(dāng)市電異常時(shí)，逆變方向?yàn)镈C-AC)為104電池進(jìn)行浮充電。當(dāng)市電100異常時(shí)，由104電池輸出直流電平經(jīng)過(guò)105雙向逆變器輸出高精度、穩(wěn) 定、純凈的正弦波，并由103智能網(wǎng)絡(luò)控制器控制106STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)選通逆變輸出回路，為負(fù) 載提供穩(wěn)定交流電源；同時(shí)有103關(guān)斷101輸入開(kāi)關(guān)，防止105雙向逆變器向電網(wǎng)饋電。特點(diǎn)是當(dāng)市電正常的時(shí)候，因?yàn)榻?jīng)過(guò)逆變器的能量只為電池充電，因此能量消耗 很少，大部分能量直接經(jīng)過(guò)調(diào)壓模塊供給負(fù)載，使得效率比一般在線式UPS大幅度提高，可 達(dá)到98%左右。當(dāng)市電異常時(shí)，雖然啟動(dòng)了逆變器，但是因?yàn)?05為雙向逆變器，省去了整 流器的功率損耗，也大大提高了效率，可達(dá)到94%以上，且市電正常的情況占99%，使得整 體效率為99% *98% +1% *94%= 97. 96%。同時(shí)，由于采用了 106STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了由 市電回路向逆變回路的超高速切換。 智能調(diào)壓模塊的特點(diǎn)是市電輸入200，經(jīng)過(guò)201、202、203三個(gè)低損耗補(bǔ)償變壓器 跨接過(guò)3組12個(gè)大功率隨機(jī)關(guān)斷型固態(tài)繼電器，為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流正弦波。輸出電壓 經(jīng)過(guò)高精度真有效值轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為直流電平送入高速M(fèi)CU進(jìn)行電壓的檢測(cè)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn) 市電值相比較，產(chǎn)生12路信號(hào)來(lái)控制12個(gè)固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓不同等 級(jí)的正反補(bǔ)償。其中201線圈匝數(shù)比為5V-220V，輸出精度10/220 = 4. 5%,202線圈匝數(shù) 比為20V-220V、203線圈匝數(shù)比40V-220V，輸入的動(dòng)態(tài)范圍為7(V220V = 32%。當(dāng)輸入超 出范圍時(shí)，可以根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行兩種選擇，一種是通過(guò)06STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)選通逆變輸出回 路，由逆變器輸出高質(zhì)量的正弦波，另一種是通過(guò)減小輸出精度來(lái)提高輸入的動(dòng)態(tài)范圍。兩 種方法都可以通過(guò)修改MCU中的邏輯程序米完成的，該種由軟件主控的方式不但減少了硬 件的復(fù)雜度使得整體系統(tǒng)更加穩(wěn)定而且大大提高了各種邏輯功能的靈活性。軟件控制比例 的提升也體現(xiàn)了 UPS智能化的一種趨勢(shì)。
權(quán)利要求1.一種不間斷電源，其特征是具有防饋電輸入開(kāi)關(guān)以及高精度、高效率、低功耗、長(zhǎng)壽 命智能電壓調(diào)節(jié)與凈化模塊構(gòu)成的市電輸出回路，具有高效率雙向逆變器以及超快速轉(zhuǎn)換時(shí)間、無(wú)環(huán)流的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成的電池浮沖 回路和逆變輸出回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的不間斷電源，其特征是采用大功率、隨機(jī)關(guān)斷型固態(tài)繼電器構(gòu)成 無(wú)觸點(diǎn)智能電壓調(diào)節(jié)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的不間斷電源，其特征是采用多級(jí)補(bǔ)償變壓器提供高輸出精度，寬 輸入動(dòng)態(tài)范圍電壓調(diào)節(jié)模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的不間斷電源，其特征是采用高運(yùn)算能力的MCU以及完善的邏輯程 序來(lái)代替大規(guī)模的老式硬件電路構(gòu)成調(diào)壓系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的不間斷電源，其特征是采用高效率的雙向逆變器，當(dāng)市電存在時(shí) 構(gòu)成對(duì)電池的浮沖回路；當(dāng)市電異常時(shí)構(gòu)成對(duì)負(fù)載的高質(zhì)量、穩(wěn)定逆變供電回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的不間斷電源，其特征是采用超高速靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓回路 與逆變回路兩個(gè)獨(dú)立輸入源的不間斷、無(wú)環(huán)流、有序的切換。
專利摘要一種不間斷電源，其特征是具有防饋電輸入開(kāi)關(guān)以及高精度、高效率、低功耗、長(zhǎng)壽命智能電壓調(diào)節(jié)與凈化模塊構(gòu)成的市電輸出回路，具有高效率雙向逆變器以及超快速轉(zhuǎn)換時(shí)間、無(wú)環(huán)流的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成的電池浮沖回路和逆變輸出回路，解決了傳統(tǒng)不間斷電源低效率、有轉(zhuǎn)換時(shí)間缺陷，為負(fù)載提供穩(wěn)定純凈的電能。
文檔編號(hào)H02J9/06GK201854080SQ201020123690
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者臧安 申請(qǐng)人:天津市愛(ài)和德電源系統(tǒng)有限公司