CN101710790B - 双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及逆变不间断电源(UPS)领域，尤其涉及双逆变不间断电源实现交直流隔离技术。本发明的双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法和电路，用于将交流输入的交流逆变电路与直流输入的直流逆变电路进行电气隔离。其中，交流输入电源(1221)经过整流电路(121)、交流逆变器(122)后，送至输出隔离变压器(T5)的第一原边绕组(P1)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成交流逆变通道；直流输入电源(2221)经过逆止装置(221)、直流逆变器(222)后，送至输出隔离变压器(T5)的第二原边绕组(P2)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成直流逆变通道。
Description
技术领域
本发明涉及逆变不间断电源(UPS)领域，尤其涉及双逆变不间断电源实现交直流隔离技术。
背景技术
不间断电源(UPS)是一种稳压、纯净、不间断的高品质电源，随着信息技术的高速发展和计算机的广泛应用，它已成为电力控制系统中不可缺少的电源装置。在整个电力控制系统中，UPS的后备直流电源取自直流系统中的直流母线；同时为了不增加直流母线上高频整流模块的工作压力，UPS正常工作时使用的是交流电网的电源，只有当电网停电才转为直流母线供电(即UPS不是工作于纯逆变状态)。直流系统负责为电力控制系统中的继电保护、自动装置、信号采集及事故照明等设备提供可靠的工作电源。为保障整个控制系统的安全、可靠运行，直流母线必须与交流电网隔离，因此对于UPS来说也必须做到交直流隔离(即AC-DC隔离)。目前在业界普遍采用的方案，是在UPS的交流输入端增加一个输入隔离变压器；这种方案虽然实现方法简单，对UPS改动较小，但是也存在几个缺点：1.变压器体积较大、重量重。2.存在转换效率的问题；由于隔离变压器的效率一般为92％～95％之间，这样就使得UPS整机效率出现下降；同时损耗掉的那部份能量将以热能的形式散发掉，给整机的散热系统带来一定的压力。3.成本造价较高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法及电路来解决，不仅变压器体积较小，且转换效率更高，成本也更加低廉。
本发明的技术方案是：
本发明的双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法，用于将交流输入的交流逆变电路与直流输入的直流逆变电路进行电气隔离。其中，交流输入电源(1221)经过整流电路(121)、交流逆变器(122)后，送至输出隔离变压器(T5)的第一原边绕组(P1)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成交流逆变通道；直流输入电源(2221)经过逆止装置(221)、直流逆变器(222)后，送至输出隔离变压器(T5)的第二原边绕组(P2)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成直流逆变通道。
进一步的，所述的逆止装置(221)是二极管或者可控硅。
所述的交流逆变器和直流逆变器分别使用同一个输出隔离变压器的两组原边绕组，来实现AC-DC的隔离；所述输出隔离变压器的两组原边绕组与副边绕组的同名端关系相一致；同时为防止交流逆变通道在工作时，第二原边绕耦合产生的电压反灌回直流母线，在直流逆变器与直流输入之间加入一逆止装置，以保证交流逆变器的稳定工作。
进一步的，在所述的交流逆变器(122)与直流逆变器(222)之间设有逆变器控制单元(30)，负责控制这两个逆变器(122、222)的工作状态并保证两个逆变器(122、222)的同步切换，通过切换两个逆变器(122、222)的工作使所述的双逆变不间断电源工作于交流态或直流态。
更进一步的，所述的逆变器控制单元(30)是由一单片机控制输出产生三角波和正弦波对所述的交流逆变器(122)与直流逆变器(222)进行SPWM调制，两个逆变器(122、222)在SPWM调制前均有进行驱动信号隔离，该单片机通过对驱动信号隔离的工作电压进行导通或关闭控制，从而切换两个逆变器(122、222)的工作。
再进一步的，所述的单片机还进行逆变采样反馈、交流频率采样、交流电源采样、直流电源采样、BUS电压采样及LED显示和声音报警处理。
本发明的双逆变不间断电源实现交直流隔离的电路是：交流输入电源(1221)连接整流电路(121)、交流逆变器(122)后，连接于隔离变压器(T5)的第一原边绕组(P1)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成交流逆变通道；直流输入电源(2221)连接逆止装置(221)、直流逆变器(222)后，连接于输出隔离变压器(T5)的第二原边绕组(P2)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成直流逆变通道。
进一步的，所述的逆止装置(221)是二极管或者可控硅。
进一步的，所述的交流逆变器(122)与直流逆变器(222)之间连接逆变器控制单元(30)，所述的逆变器控制单元(30)至少包括；
单片机模块(301)，其输出连接于三角波发生器模块(302)、阶梯波发生器模块(303)、逆变器切换控制模块(307)；
三角波发生器模块(302)，其输入连接于所述的单片机模块(301)，输出连接于SPWM调制模块(305)；
阶梯波发生器模块(303)，其输入连接于所述的单片机模块(301)，输出连接于正弦波发生器模块(304)；
正弦波发生器模块(304)，其输入连接于所述的阶梯波发生器模块(303)，输出连接于SPWM调制模块(305)；
SPWM调制模块(305)，其输入连接于所述的三角波发生器模块(302)、正弦波发生器模块(304)，其输出连接于交流逆变器的驱动信号隔离模块(3061)和直流逆变器的驱动信号隔离模块(3062)；
驱动信号隔离模块(3061)，其输入连接于所述的SPWM调制模块(305)，输出连接于交流逆变器(122)；
驱动信号隔离模块(3062)，其输入连接于所述的SPWM调制模块(305)，输出连接于交流逆变器(222)；
逆变器切换控制模块(307)，其输入连接于所述的单片机模块(301)，输出连接于所述的交流逆变器的驱动信号隔离模块(3061)和直流逆变器的驱动信号隔离模块(3062)。
更进一步的，所述的单片机模块(301)输入还连接于逆变采样反馈模块(308)、BUS电压采样模块(310)、交流频率采样模块(3111)、交流电压采样模块(3112)、直流频率采样模块(3113)，输出还连接于LED显示模块(309)和声音报警模块(312)；其中，
逆变采样反馈模块(308)，输入连接于UPS输出端(40)，输出连接于所述的单片机模块(301)和所述的正弦波发生器模块(304)；
BUS电压采样模块(310)，输入连接于所述的交流逆变器(122)，输出连接于所述的单片机模块(301)；
交流频率采样模块(3111)和交流电压采样模块(3112)输入连接于交流输入电源(1221)，直流电压采样模块(3113)输入连接于直流输入电源(2221)，输出均连接于所述的单片机模块(301)；
LED显示模块(309)和声音报警模块(312)，输出均连接于所述的单片机模块(301)。
更进一步的，所述的单片机模块(301)是PIC单片机芯片构成的控制电路模块。
本发明采用如上技术方案，具有如下优点：
a)省去交流输入隔离变压器，优化整机结构工艺，该变压器的体积与整机容量成正比关系，且其功率容量应为整机容量的1.2倍左右。
b)减少一级电源变换，降低电源变换过程产生的损耗，进一步提高整机工作效率。
c)双逆变器冗余备份工作，较传统电力UPS减少一个公共故障点，进一步提高整机工作可靠性。
d)采用本发明的电路结构后，虽然增加一个逆变器会增加部分电子器件，但其所增加的材料成本还是远远不及一个隔离变压器的成本，两个逆变器共用同一输出隔离变压器，降低生产制造成本。
e)采用一个逆变控制单元进行逆变控制和切换输出，节省硬件资源，降低生产制造成本。
附图说明
图1是本发明的电路原理主框图；
图2是本发明的电路原理详细框图；
图3是本发明的电路原理图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参阅图1所示，是本发明的一个最佳实施电路的原理主框图。其中，交流输入电源1221连接整流电路121、交流逆变器122后，连接于隔离变压器T5的第一原边绕组P1，再经输出隔离变压器T5的副边绕组S耦合输出，构成交流逆变通道；直流输入电源2221连接逆止装置221、直流逆变器222后，连接于输出隔离变压器T5的第二原边绕组P2，再经输出隔离变压器T5的副边绕组S耦合输出，构成直流逆变通道。所述的逆止装置221是二极管(Diode)或者可控硅(SCR)。所述的交流逆变器122与直流逆变器222之间连接逆变器控制单元30。所述的交流逆变器和直流逆变器分别使用同一个输出隔离变压器的两组原边绕组，来实现AC-DC的隔离；所述输出隔离变压器的两组原边绕组与副边绕组的同名端关系相一致；同时为防止交流逆变通道在工作时，第二原边绕耦合产生的电压反灌回直流母线，在直流逆变器与直流输入之间加入一逆止装置，以保证交流逆变器的稳定工作。
参阅图2和图3所示，所述的逆变器控制单元30包括：
单片机模块301，其输出连接于三角波发生器模块302、阶梯波发生器模块303、逆变器切换控制模块307；所述的单片机模块301是PIC单片机芯片U29构成的控制电路模块。PIC单片机芯片U29可以采用PIC16C74A。
三角波发生器模块302，其输入连接于所述的单片机模块301，输出连接于SPWM调制模块305；所述的三角波发生器模块302是由2个TL072运放器及外围电阻和电容元件构成的三角波发生电路。
阶梯波发生器模块303，其输入连接于所述的单片机模块301，输出连接于正弦波发生器模块304；所述的阶梯波发生器模块303是由3个LM324运放器和1个4051模拟开关芯片及外围电阻电容等元件构成的阶梯波发生电路。
正弦波发生器模块304，其输入连接于所述的阶梯波发生器模块303，输出连接于SPWM调制模块305；所述的正弦波发生器模块304是由3个LM324运放器及外围电阻和电容元件构成的正弦波发生电路。
SPWM调制模块305，其输入连接于所述的三角波发生器模块302、正弦波发生器模块304，其输出连接于交流逆变器的驱动信号隔离模块3061和直流逆变器的驱动信号隔离模块3062；所述的SPWM调制模块305则是由4个LM339电压比较器芯片及连接的4个与非门器构成的4路输出的SPWM调制电路。
驱动信号隔离模块3061，其输入连接于所述的SPWM调制模块305，输出连接于交流逆变器122；
驱动信号隔离模块3062，其输入连接于所述的SPWM调制模块305，输出连接于交流逆变器222；所述的驱动信号隔离模块3061和驱动信号隔离模块3062均是采用光电耦合器组成的驱动隔离电路。
逆变器切换控制模块307，其输入连接于所述的单片机模块301，输出连接于所述的交流逆变器的驱动信号隔离模块3061和直流逆变器的驱动信号隔离模块3062；所述的逆变器切换控制模块307是由ULN2004大电流达林顿管驱动器及外围的电阻和三极管等构成的切换控制电路。
所述的单片机模块301输入还连接于逆变采样反馈模块308、BUS电压采样模块310、交流频率采样模块3111、交流电压采样模块3112、直流频率采样模块3113，输出还连接于LED显示模块309和声音报警模块312；其中，
逆变采样反馈模块308，输入连接于UPS输出端40，输出连接于所述的单片机模块301和所述的正弦波发生器模块304；所述的逆变采样反馈模块308就是将逆变UPS输出端40通过一耦合变压器和T型RC采集网络进行逆变采样反馈至正弦波发生器模块304。
BUS电压采样模块310，输入连接于所述的交流逆变器122，输出连接于所述的单片机模块301；所述的BUS电压采样模块310是由一个LM393运放器及外围的电阻、电容元件构成的电压采样电路，并通过一个光耦器隔离输入至单片机U29的端口。
交流频率采样模块3111和交流电压采样模块3112输入连接于交流输入电源1221，直流电压采样模块3113输入连接于直流输入电源2221，输出均连接于所述的单片机模块301；所述的交流电压采样模块3112和直流电压采样模块3113均是T型RC滤波的电压采集电路，交流频率采样模块3111谁由一个三极管的基极端串接于RC充放电单元，集电极和发射极并接一波形输出电容构成的频率采集单元电路。
LED显示模块309和声音报警模块312，输出均连接于所述的单片机模块301。所述的LED显示模块309由单片机芯片U29的端口直接驱动。所述的声音报警模块312是由单片机芯片U29的端口连接一个三级管Q13驱动的蜂鸣器电路实现。
本发明的工作原理是：
1)PIC单片机产生的9.6KHz PWM波形经过三角波发生器后得到9.6KHz的三角波信号。
2)PIC单片机产生的阶梯波时序脉冲控制阶梯波发生器产生50Hz的正弦阶梯波信号，再经过正弦波发生器得到50Hz的正弦波信号。
3)三角波信号与正弦波信号一起送到SPWM调制电路，产生的SPWM信号分别送往驱动信号隔离电路，经过隔离处理后驱动各自逆变器完成逆变输出。
4)逆变输出的电压信号经过逆变采样反馈电路，产生两个电压反馈信号：一个送到正弦波发生器，用于稳定输出电压。另一个送到PIC单片机进行输出电压的检测，以作保护用。
5)PIC单片机通过对交流输入电压、交流逆变器的BUS电压等信号进行检测，然后送出一个逆变器切换控制信号，经过逆变器切换控制电路后分别控制驱动信号隔离电路的工作与否，从而实现控制交流逆变器或直流逆变器的工作与否。
单片机的控制逻辑是：
1)交流输入电压及交流逆变器的BUS电压正常，则逆变器切换控制信号为低电平，交流逆变器的驱动信号隔离电路工作，交流逆变器实现逆变输出。
2)交流输入电压或交流逆变器的BUS电压异常，则逆变器切换控制信号为高电平，直流逆变器的驱动信号隔离电路工作，直流逆变器实现逆变输出。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法，用于将交流输入的交流逆变电路与直流输入的直流逆变电路进行电气隔离，其特征在于：交流输入电源(1221)经过整流电路(121)、交流逆变器(122)后，送至输出隔离变压器(T5)的第一原边绕组(P1)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成交流逆变通道；直流输入电源(2221)经过逆止装置(221)、直流逆变器(222)后，送至输出隔离变压器(T5)的第二原边绕组(P2)，再经输出隔离变压器(T5)的副边绕组(S)耦合输出，构成直流逆变通道；在所述的交流逆变器(122)与直流逆变器(222)之间设有逆变器控制单元(30)，负责控制这两个逆变器(122、222)的工作状态并保证两个逆变器(122、222)的同步切换，所述的逆变器控制单元(30)是由一单片机控制输出产生三角波和正弦波对所述的交流逆变器(122)与直流逆变器(222)进行SPWM调制，两个逆变器(122、222)在SPWM调制前均有进行驱动信号隔离，该单片机通过对驱动信号隔离的工作电压进行导通或关闭控制，从而切换两个逆变器(122、222)的工作，通过切换两个逆变器(122、222)的工作使所述的双逆变不间断电源工作于交流态或直流态。
2.根据权利要求1所述的双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法，其特征在于：所述的逆止装置(221)是二极管或者可控硅。
3.根据权利要求1所述的双逆变不间断电源实现交直流隔离的方法，其特征在于：所述的单片机还进行逆变采样反馈、交流频率采样、交流电源采样、直流电源采样、BUS电压采样及LED显示和声音报警处理。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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