CN101521392A - 脱机式不间断电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脱机式不间断电源装置，尤指一种可输出谐波形状的交流电压，并且具有功因提升功能的一种脱机式不间断电源装置。该脱机式不间断电源装置主要包括一被耦合到交流电源的交流输入，一被耦合到负载端的交流输出，一用来提供直流电压的直流电源，一输入端被耦合到所述直流电源、输出端被耦合到直流母线的直流/直流转换装置，一输入端被耦合到直流母线、输出端被耦合到交流输出的直流/交流转换装置，以及一控制电路；其中控制电路控制所述不间断电源装置实现三种工作模式：在市电停电时提供谐波形状的直流电压，市电正常时对直流电源充电，直流母线上有多余能量时对直流电源充电从而回收能量。

Description

脱机式不间断电源装置

技术领域

本发明涉及不间断电源装置，尤指一种改进的脱机式不间断电源装置。

背景技术

不间断电源(UPS)是一种交流电源供应器，其可以在市电不正常时瞬间提供交流电。公知的两种脱机式不间断电源，如图4、5所示。图4是一种简单UPS结构，当市电正常时仅将市电通过滤波装置44直接经过继电器45连到输出端，供连接在UPS输出端的负载使用；当市电不正常时(电压过高或过低等)，UPS将其内部的电池41，先经过直流/直流转换装置42(DC/DC converter)转换成高的直流电压，再利用直流/交流转换装置43将此高的直流电压转换成交流电压再经过继电器45切换输出。图5是另一种简单UPS结构，当市电正常时市电输入经过滤波装置51再经过继电器52切换经过工频变压器53直接输出；当市电电压过低，经由继电器52切换工频变压器的绕组抽头，提高电压输出；当停电时，UPS将其内部的电池55，经逆变器54与工频变压器53产生交流电压输出。然而图4与图5两种公知的UPS结构存在一定的缺点：(1)两种UPS结构交流电压输出是一种方波形式，对于电感性负载(如变压器，马达)，此种方波输出，将会造成负载容易损坏；(2)图4所示的UPS结构，只能用在市电电压波动范围较小的场所；(3)图5所示的UPS结构，可用在市电电压波动范围较大的场所，但是采用继电器直接切换工频变压器绕组抽头，切换时会产生尖波电压影响电力供电质量，而且该市电电压的调整器随时在线损耗功率。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种改进的脱机式不间断电源，其提供谐波形状的交流电压输出并实现大电流对电池充电。主要利用控制电路控制直流/直流转换装置的工作方式，在市电停电时提供谐波形状的直流电压，市电正常时对直流电源充电，直流母线上有多余能量时对直流电源充电从而回收能量的三种工作模式。

为实现本发明的上述目的，本发明的脱机式不间断电源，包括：

一交流输入，其被耦合到交流电源；

一交流输出，其被耦合到负载端；

一直流电源，用来提供直流电压；

一直流/直流转换装置，其输入端被耦合到所述直流电源，输出端被耦合到直流母线，该直流/直流转换装置包括一升压电路与一降压电路，一电容，其中所述升压电路包含一升压变压器、两个分别耦合于该升压变压器的初极端与次极端的切换晶体管，以及两个二极管，所述降压电路包含一降压变压器、一耦合于该降压电路的切换晶体管，以及一个二极管；

一直流/交流转换装置，其输入端被耦合到直流母线，输出端被耦合到交流输出，该直流/交流转换装置包括四个切换晶体管以及一滤波电容；

一开关装置，其耦合于交流输出端，用以切换于市电供电与该不间断电源装置供电；以及

一控制电路，其包括一微控制器和一脉冲宽度调变器，所述微控制器输出一谐波参考信号至所述脉冲宽度调变器，所述脉冲宽度调变器产生PWM信号输出至所述直流/直流转换装置；

所述控制电路提供下列运行方式中的至少一种：

第一种，在所述直流电源提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压耦合到直流母线上，供给所述直流/交流转换装置直流电压，经转换以提供交流电压输出；

第二种，在所述直流电源不提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上的直流高电压转换为直流电压，对直流电源进行充电；

第三种，在直流母线上有多余能量时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上的多余能量送回直流电源进行充电。

上述技术方案通过微控制器和脉冲宽度调变器对直流/直流转换装置进行控制，将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压，再经直流/交流转换装置转换为谐波形状的交流电压输出，有利地减少了对电感性负载的损坏，并且在直流母线上有多余能量时，通过该直流/直流转换装置回收多余能量对直流电源进行充电，有效地利用了电能，实现节能目的。

本发明的另一目的在于提供一种脱机式不间断电源装置，其可以在市电不稳定时，提高输入功因，并通过控制电路控制交流/直流转换装置的动作方式输出谐波形状的直流高电压，从而在该脱机式不间断电源装置的输出端输出谐波形状的交流电压。

为实现本发明的上述目的，本发明的脱机式不间断电源装置还包括：一交流/直流转换装置，其输入端被耦合到交流输入，输出端被耦合到直流母线，包括一全桥电路，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电路，以及一电容。该交流/直流转换装置的工作方式由所述控制电路控制，其中所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制交流/直流转换装置的切换晶体管的导通，使交流电压转换为经PWM信号的调制输出谐波形状的直流高电压耦合至直流母线上。

通过上述技术方案，使本发明的脱机式不间断电源装置可用在市电电压波动范围较大的场所，在市电不稳定时，输入电压由全桥电路全波整流后，经升压电路转换为谐波形状的直流高电压，从而避免产生尖波电压，并可提高输入功率因数、降低输入总谐波电流，因此可以适用于市电电压波动范围较大的场所。

附图说明

图1是根据本发明的一具体实施例的结构方框示意图；

图2是根据本发明的一具体实施例的结构与控制信号方块示意图；

图3是根据本发明的一具体实施例的脱机式不间断电源原理图；

图4是现有脱机式不间断电源的结构方框示意图；以及

图5是现有脱机式不间断电源的结构方框示意图。

具体实施方式

请参考图1、图2、图3，为本发明的脱机式不间断电源的一较佳具体实施例的图示。

在该具体实施例中，该脱机式不间断电源装置包括：

一滤波装置11，耦合于交流输入端；

一交流/直流转换装置12，其输入端耦合于滤波装置11的输出端，用以提供谐波形状的直流高电压至直流母线；

一电池13，其在市电停电时用以提供直流电压；

一直流/直流转换装置14，其输入端耦合于电池13的输出端，用以输出谐波形状的直流高电压至直流母线；

一直流/交流转换装置17，其输入端耦合于直流母线，输出端耦合于交流输出，用以输出谐波形状的交流电压，该直流/交流转换装置包括四个切换晶体管81、82、83、84以及一滤波电容；

一继电器18，其耦合于交流输出端，用以切换市电供电与该脱机式不间断电源装置供电；以及

一控制电路，该控制电路包括一脉冲宽度调变器15，一微控制器16；其中该脉冲宽度调变器15，分别耦合于所述交流/直流转换装置12、直流/直流转换装置14与直流/交流转换装置，该脉冲宽度调变器15包括比较器55与比较器56，比较器55用来对所述交流/直流转换装置12、直流/直流转换装置14与直流/交流转换装置实现过电流保护，比较器56用来实现谐波调制，该脉冲宽度调变器15，提供四组PWM信号51～54给交流/直流转换装置12、直流/直流转换装置14；该微控制器16，耦合于所述脉冲宽度调变器15与直流/交流转换装置17，该微控制器16控制由脉冲宽度调变器15提供的PWM信号的导通或关断851～854，来管理交流/直流转换装置12及直流/直流转换装置14的动作方式。

图3是根据本发明提出的脱机式不间断电源装置的较佳具体实施例的原理图。其中直流/直流转换装置14，由变压器绕组141与变压器绕组142组成推挽式(Push-pull)电路结构，利用2个切换晶体管经变压器绕组142将电池电压升压转换成一个谐波形状的直流高电压输出到直流母线上，并有电流回馈信号41送回比较器55与该比较器55内的参考电压进行比较，过电流时停止PWM输出，保护切换晶体管。另一方面变压器绕组142与变压器绕组143组成降压式(Buck)电路结构，由另一个切换晶体管将直流母线上谐波形状的直流高电压转换成直流电压由变压器绕组143输出后送回电池充电。充电电压由电池电压回馈信号42送回微控制器16，由微控制器16来控制充电模式。由于共享变压器，只增加一组绕组143及一个切换晶体管，就可提供较大的充电电流对电池充电，并且可以用来将多余能量回收回电池储能，实现一种结构3种效果。

交流/直流转换装置12由全桥与升压式(Boost)电路结构组成，包括一全桥电路，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电路，以及一电容。市电电压过高时或市电电压过低时，将市电电压经全桥电路全波换流转换为一谐波形状的直流电压，并使用一个切换晶体管来完成升压转换的动作，将该全波换流的谐波形状的直流电压转换为谐波形状的直流高电压输出到直流母线上。由所述微控制器16控制由脉冲宽度调变器15提供的PWM信号51的导通或者关断，从而控制该切换晶体管的导通或者关断。输入电压由该全桥电路全波整流后，经升压电路转换为谐波形状的直流高电压输出至直流母线。

直流母线的直流电压由电压回馈信号22送回脉冲宽度调变器15内的比较器56，并与微控制器16输出的参考信号86进行比较，从而调整PWM宽度使直流母线上得到谐波形状的直流电压。电流回馈信号21送回比较器55并与比较器55内的比较参考电压进行比较，过电流时停止PWM输出，保护切换晶体管。升压式电路工作时可提升市电输入功率因数、降低输入总谐波电流。

微控制器16控制由脉冲宽度调变器15提供的PWM信号51～54的导通或关断，从而实现该脱机式不间断电源装置的3种工作模式。第一种模式，在电池13提供电力时由微控制器16控制脉冲宽度调变器15提供PWM信号52、53的导通，PWM信号54的关断，将电池13电压转换成谐波形状的直流高电压耦合于直流母线，再经直流/交流转换装置17将该谐波形状的直流电压转换为一谐波形状的交流电压经继电器18输出，以提供不断电电力。第二种模式，当电池13不提供电力时，由微控制器16控制脉冲宽度调变器15提供PWM信号54的导通，PWM信号52、53的关断，将谐波形状的直流高电压转换为直流电压，并提供大电流对电池13充电。第三种模式，交流/直流转换装置12及直流/交流转换装置17工作时会产生多余能量，而且不间断电源的输出端若接电感性负载(如变压器，马达)，也会有多余能量经直流/交流转换装置17输出端，返回直流母线上，当该谐波形状的直流电压不正常升高，由微控制器16控制脉冲宽度调变器15提供PWM信号54的导通，PWM信号52、53的关断，将直流母线上的多余能量送回电池充电。

本发明的脱机式不间断电源的该较佳具体实施例的具体工作方式如下：

在市电正常时，输入端交流电压通过滤波装置11直接输出到输出端，由继电器18切换至市电供电。

在市电电压不正常时，为了能提供稳定电压供电输出，而不是将市电切离转由电池供电，市电输入经滤波装置11输入到交流/直流转换装置12，该交流/直流转换装置12将市电电压全波换流升压转换为一谐波形状的直流高电压输出到直流母线上，直流/交流转换装置17可以将此谐波形状的直流电压切换经继电器18输出，使负载端得到一个谐波形状的交流电压输出，提供稳定的电压供输出端的用户设备使用。

在市电停电时转由电池13供电，直流/直流转换装置14将电池13的电压转换成一个谐波形状的直流高电压输出到直流母线上，直流/交流转换装置17可以将此谐波形状的直流电压切换经继电器18输出，使负载端得到一个谐波形状的交流电压输出，而不再需要透过复杂的线路来完成。为达成该目的，请参照图2，微控制器16送出一个谐波参考信号86，由微控制器16控制脉冲宽度调变器15提供PWM信号52、53的导通，PWM信号54的关断，并跟随此参考信号调整PWM信号的宽度，从而使直流/直流转换装置14跟随此参考信号将其输出调整为谐波形状的直流电压供直流/交流转换装置17使用；并有一直流母线电压回馈信号22送回脉冲宽度调变器15内比较器56，并与比较器56的内部参考电压进行比较从而调整PWM宽度，该直流母线电压回馈信号22，也送回微控制器16，来监控直流母线电压。直流/交流转换装置17的输出电压控制由电压回馈信号85送回微控制器16来调整输出电压，并有一电池电压检测信号42，送回微控制器16来检测电池的状况。脉冲宽度调变器15，另有一比较器55，主要负责过电流保护，过载时停止PWM信号输出，交流/直流转换装置12由电流回馈信号21送回比较器55，直流/直流转换装置14由电流回馈信号41送回比较器55，直流/交流转换装置17由电流回馈信号71送回比较器55，此三组只要有一组先超过比较器55内部参考电压将会停止输出PWM信号51～54。

可以理解的是，上述实施例的详细说明是为了阐述和解释本发明的原理而不是对本发明的保护范围的限定。在不脱离本发明的主旨的前提下，本领域的一般技术人员通过对上述技术方案的所教导的原理的理解可以在这些实施例基础上做出修改，变化和改动。因此本发明的保护范围由所附的权利要求以及其等同来限定。

Claims (9)

1、一种脱机式不间断电源装置，包括：

一交流输入，其被耦合到交流电源；

一交流输出，其被耦合到负载端；

一直流电源，用来提供直流电压；

一直流/直流转换装置，其输入端被耦合到所述直流电源，输出端被耦合到直流母线；

一直流/交流转换装置，其输入端被耦合到直流母线，输出端被耦合到交流输出；

一开关装置，其耦合于交流输出端，用以切换于市电供电与该不间断电源装置供电；以及

一控制电路；

其特征在于，所述控制电路提供下列运行方式中的至少一种：

第一种，在所述直流电源提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流电源提供的直流电压转换为谐波形状的直流高电压耦合到直流母线上，经所述直流/交流转换装置转换为谐波形状的交流电压输出以提供连续的电力；

第二种，在所述直流电源不提供直流电压时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上谐波形状的直流高电压转换为直流电压，对直流电源进行充电；以及

第三种，在直流母线上有多余能量时，控制所述直流/直流转换装置将直流母线上的多余能量送回直流电源进行充电。

2、根据权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于还包括：

一交流/直流转换装置，其输入端被耦合到交流输入，输出端被耦合到直流母线，由所述控制电路控制该交流/直流转换装置的工作方式，从而使该交流/直流转换装置输出谐波形状的直流高电压耦合至直流母线。

3、根据权利要求2所述的不间断电源装置，其特征在于：所述交流/直流转换装置包括一全桥电路，由一电感和一个切换晶体管组成的升压电路，以及一电容。

4、根据权利要求1-3中任一项所述的不间断电源装置，其特征在于：所述控制电路包括一微控制器和一脉冲宽度调变器，所述微控制器输出一谐波参考信号至所述脉冲宽度调变器，所述脉冲宽度调变器产生PWM信号输出至所述直流/直流转换装置，并且所述脉冲宽度调变器还包括一比较器用来比较谐波形状的直流电压与该谐波参考信号的电压用以调整PWM信号的宽度，从而调整输出电压的谐波形状。

5、根据权利要求4所述的不间断电源装置，其特征在于：所述直流/直流转换装置包括一升压电路与一降压电路，一电容，其中所述升压电路包含一升压变压器、两个分别耦合于该升压变压器的初极端与次极端的切换晶体管，以及两个二极管，所述降压电路包含一降压变压器、一耦合于该降压电路的切换晶体管，以及一个二极管。

6、根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于：

在第一种模式下，所述微控制器根据直流母线电压，通过控制PWM信号的导通，控制直流/直流转换装置的升压电路的切换晶体管的导通，使直流电源输出的电压经PWM信号的调制输出谐波形状的直流高电压耦合至直流母线上；

在第二种模式下，所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制直流/直流转换装置的降压电路的切换晶体管的导通，从而将谐波形状的直流电压转换为直流电压对直流电源进行充电；

在第三种模式下，所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制直流/直流转换装置的降压电路的切换晶体管的导通，从而将直流母线上的多余能量转换为直流电压对直流电源进行充电。

7、根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于，所述微控制器通过控制PWM信号的导通，控制交流/直流转换装置的切换晶体管的导通，使交流电压转换为经PWM信号的调制输出谐波形状的直流高电压耦合至直流母线上。

8、根据权利要求5所述的不间断电源装置，其特征在于：所述脉冲宽度调变器包括另一比较器，交流/直流转换装置和/或直流/交流转换装置和/或直流/直流转换装置分别送回电流反馈信号给该比较器，在送回的电流反馈信号超过比较器内的参考信号时，停止输出脉冲宽度调变信号，从而保护交流/直流转换装置和/或直流/交流转换装置和/或直流/直流转换装置。

9、根据权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于：所述直流/交流转换装置包括四个切换晶体管以及一滤波电容。

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