CN107979166A - 一种电力开关操作电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力开关操作电源，该电源包括安装内部子模块和设有接口的机箱、连接铅酸蓄电池进行充电和电池管理的蓄电池充电和管理模块、连接蓄电池进行电源输出的带有加力功率输出的逆变电源模块、控制电源工作模式的监控模块。本发明的电力开关操作电源提供了宽范围工业运行环境、效率提高，待机功耗小于20W；提供1秒2倍以上过载能力；可根据铅酸蓄电池的环境温度提供充电电压补偿，可测量电源的输入，输出参数，可根据该参数选择电源的工作模式和最佳切换点，在监控系统和电源失效后可自动切换为外部电源供电方式。
Description
技术领域
本发明属于工业备用电源技术领域，具体涉及一种电力开关操作电源。
背景技术
目前电力交流操作系统的备用电源通常选用普通的UPS电源，该电源适用于计算机系统或数字设备掉电后作为备用电源系统投入，分为在线式和后备式两种，共同的问题是：
1.现有产品不具备工业运行条件，一般该类产品的使用条件是-5℃到40℃，湿度20％-90％；而工业环境要求为-25℃到60℃；
2.现有产品不具备过冲能力，不能带载具有冲击性感性负荷的负载，如电动机，电磁线圈负载等；
3.现有产品不具备智能电池维护功能；
4.现有大部分输出为方波交流电，对负载会产生有害的影响：如发热增加，效率低等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力开关操作电源，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电力开关操作电源，包括：
电源监控模块：其与工作模式转换模块连接，实时监控电源输入，电源输出，电源输出功率数据，并可对电源工作环境温度进行监控，当输入电源消失或超出正常工作范围时，控制切换为蓄电池工作方式；
工作模式转换模块：其连接电源输入接口和电源输出接口，蓄电池管理模块和逆变电源模块，具有电源输入电压检测回路，电源输出电压、电流检测回路，电源工作电压模块，电源工作模式切换回路；
蓄电池管理模块：其采用智能型铅酸蓄电池充放电管理模块，零功耗待机，均、浮充自动转换，与蓄电池输入输出接口连接，用于对蓄电池的充电进行管理，按照不同功率需求，配置不同功率的电池管理模块；
逆变输出电源模块：其与蓄电池管理模块，蓄电池共同接在直流母线上，输出接入工作模式转换模块，当电源有外电输入，电源开关和电池开关均闭合时，处于工作状态，输出标准的50Hz正弦波交流电，给本电源系统提供内部电源，并处于电源热备用状态；
机箱：采用标准19英寸2U金属机箱，用于安装内部充电、逆变和监控模块，并设有一个外部交流电源输入接口、一个电源输出接口，蓄电池接口以及交流和直流回路控制开关，散热器出口。
优选的，所述的电源监控模块，包括一组输入电压检测回路，一组输出电压检测回路和一组输出电流检测回路，所述的输入、输出检测回路根据外部电源电压范围是否合格以及输出模块是否工作在加力输出状态，判断是否自动转入旁路运行状态，并可根据输入电压的范围，自动选择旁路模式或逆变模式输出，起到稳定输出电压的作用，且不会造成频繁的模式切换。
优选的，高频开关原理的直流充电模块，采用数字式高频开关原理和逆变桥的逆变电源输出模块，以及旁路和热备用工作模式切换的监控保护模块和低压直流蓄电池组共同构成的纯正弦波输出的旁路优先热备用电源系统。
优选的，所述的蓄电池管理模块包括高频开关直流电源电路单元、电压调节电路单元、电流调节电路单元、输出电压和电流测量单元、及环境温度测量单元，其中微控制器采用PWM调制方式输出控制电压调节电路单元和电流调节电路单元，实现对电池的充电电压和电流的调节，电压采用差分放大进行测量、电流采用专用传感器测量，取消充电输出的虚拟负载，降低待机功率。
优选的，所述的电池管理模块有浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为电池组标称电压27.2V，均充电压为28.5V，充电电流限制在电池容量的0.05～0.15C可调。
优选的，所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每60天进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压低于电池组标称电压的时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
优选的，蓄电池管理模块的微控制器通过环境温度测量元件对电池工作环境温度的测量，以20℃为基准，温度上升降低充电电压，温度下降则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
优选的，逆变输出模块由升压电路，直流母线，逆变单元，专用微控制器和辅助开关电源组成，电池电压先其高频开关电路和变压器，将电压升至直流420V，做为逆变单元的稳定直流电压输入，逆变单元由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受微控制器控制，输出220V/50HZ的标准纯正弦波交流电。
优选的，逆变输出单元在不超过10秒的时间内，超额输出200％的输出功率，带动突发性感性负载，如电动机的启动等，在此过程中，电源的电压可能会短时降低不超过10％，在负载恢复正常后，电源的输出将恢复正常。
本发明的技术效果和优点：1、提供了宽范围(-25℃到65℃)的适合工业运行环境的系统设计：由于采用模块设计核心部件采用工业级器件，模块化设计，各模块有独立的控制系统，有独立的微控制器分别控制电源工作模式、电池组管理，逆变电源输出和保护，各模块共享内部直流母线，相互工作不干扰，按不同的运行工况自动调整工作状态。
2、效率提高，各模块分区温度控制，待机功耗小于20W。
3、采用高频开关技术设计的逆变输出可提供突变感性负载带载能力，最大输出功率10s内可达到200％，适合电力系统对开关设备的操作需求，蓄电池电量低可自动关断，外部故障提供保护，闭锁输出。
4、铅酸蓄电池智能管理，可根据密封式铅酸蓄电池的环境温度提供充电电压补偿，可侦测电池的工作状态。
5、智能在线切换实现自动热备用，可根据电源的工作状态提供最优工作状态选择，避免大功率切换和频繁的调整，延长了内部元件的寿命，不同于在线式或后备式UPS。
附图说明
图1为本发明的整体模块结构示意图；
图2为本发明的蓄电池充电管理模块的模块结构示意图；
图3为本发明的监控和工作模式转换结构示意图；
图4为本发明的逆变输出电源模块模块结构示意图；
图中：机箱1、外部交流电源输入接口101、蓄电池接口102、电源输出接口103、风扇口104；
蓄电池充电管理模块2、第一微控制器201、高频开关直流电源电路单元202、电压调节电路单元203、电流调节电路单元204、输出电压和电流测量单元205、环境温度测量单元206；
电源监控模块3A，工作模式转换模块3B、输入电压检测回路301、输出电压、电流检测回路302，切换回路303，温控回路304；
逆变输出电源模块4、第二微控制器401，升压DC/DC单元402，逆变单元403、辅助开关电源404。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示的一种电力开关操作电源，包括：
机箱1：用于安装内部部件，包括第一外部交流电源输入接口101、第二外部交流电源输入接口102、蓄电池输入输出接口103以及负载输出接口104；工作时，第一外部交流电源输入接口101和第二外部交流电源输入接口102分别连接一路交流输入线路，蓄电池输入输出接口103连接外部蓄电池，蓄电池在两路交流输入线路均失电或电压不符合要求时提供备用电源，负载输出接口104连接用电设备。本实施例中蓄电池采用2到4节12V24AH至150AH长寿命高效铅酸蓄电池组。本实施例的机箱上的提供电源输入，电源输出和电池接口采用标准快速插件元件，现场安装方便，并标配接口电缆，杜绝了人为现场接错线的可能。
蓄电池充电管理模块2：与蓄电池输入输出接口103连接，用于对蓄电池的充电进行管理；当外部有电，且蓄电池电压大于有效值时开始充电，例如铅酸蓄电池电压小于有效值时，蓄电池可能异常，一直到蓄电池电压恢复到浮充电压值时则由均充，自动转为浮充，均充状态下充电电流最大为0.1倍电池容量，，浮充充电电压为1.15倍电池组电压，充电电流最小为零的涓流充电，并带有温度系数补偿功能；
电源监控和工作模式转换模块3：分别与交流电源输入接口101、第二外部交流输出接口103连接，微处理器3采用交流采样技术，通过傅里叶算法，计算电压、电流、功率等运行参数，并根据外部交流电源的电压质量及电源输出功率状况选择旁路方式供电或蓄电池方式供电，提供最优转换时机选择，同时，提供电源环境控制措施，保证电源安全工作；
逆变输出电源模块4：与电源输入切换模块3连接，在两路外部电源全部失电或电压不符合要求时控制蓄电池供电；当外电消失后，逆变电源投入工作，由蓄电池提供后备供电，并完成负荷部分的正常供电，提供200％的过负荷冲击(1S)，短路和过载保护，过压、欠压保护等，输出波形为50Hz纯正弦波。、
本实施例中，所述的蓄电池充电管理模块2包括第一微控制器201，所述的第一微控制器201连接有高频开关直流电源电路单元202、电压调节电路单元203、电流调节电路单元204、输出电压和电流测量单元205及环境温度测量单元206，其中第一微控制器201采用PWM调制方式输出0～5V模拟量控制电压调节电路单元203和电流调节电路单元204，实现对电池的充电电压和电流的调节，输出电压和电流测量单元205对电池的电压采用差分放大进行测量、对充电电流采用专用传感器测量。
工作时，第一微控制器201通过电压调节电路单元203、电流调节电路单元204实现浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为27.2V；均充电压为28.5V，充电电流限制在电池容量的0.08～0.1C。
在进行充电管理时，所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每60天进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压小于电池组标称电压时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
为了对蓄电池的充电进行精确控制，需要考虑到环境温度对充电的影响，当进行恒压充电时，环境温度较高会造成蓄电池的过充，环境温度较低会造成蓄电池的欠充，为了解决这种问题，本实施例中，第一微控制器201通过环境温度测量单元对电池的环境温度的测量，以20℃为基准，温度上升将换算规则进行降低充电电压，温度下降将换算规则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
本实施例中，所述的电源监控及工作模式转换模块3包括输入检测回路301及输出电压电流检测回路302，切换回路303，温控回路304，微处理器系统305，所述的输入检测回路判断外部交流电源是否合格，以及输出电源回路是否处于最大输出状态，选择最佳时机启动切换单元303切换到最优工作模式。电压符合要求是指电压是否在正常的供电电压范围之内，一般为标准市电电压的±20V范围内。
本实施例中逆变输出电源模块4主要负责在蓄电池进行备用供电时，将蓄电池的直流输出转换为交流输出，在逆变输出电源模块4的设计上，逆变输出电源模块4由第二微控制器401，升压DC/DC单元402，逆变单元403，和辅助开关电源404组成，蓄电池先输入至升压DC/DC单元402，升压DC/DC单元402包括高频开关电路和变压器，将电压升至420V，作为逆变单元403的稳定直流电压输入，逆变单元403由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受第二微控制器控制，输出220V/50HZ的纯正弦波交流电。
工作时，第二微控制器401为工业级16位高性能微处理器，利用内部PWM工作模式直接从引脚输出2路spwm信号，为驱动电路提供可调脉冲，以控制逆变单元的输出。
输出电压通过电压互感器和微处理器内部的高精度12位a/d进行测量。同时，为了防止输出电流过高而损害电源，设计了短路、过流、过载、输出欠压及温度保护电路，为了防止电池过度放电，设计了输入欠压关断保护。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电力开关操作电源，其特征在于，包括：
电源监控模块：其与工作模式转换模块连接，实时监控电源输入，电源输出，电源输出功率数据，并可对电源工作环境温度进行监控，当输入电源消失或超出正常工作范围时，控制切换为蓄电池工作方式；
工作模式转换模块：其连接电源输入接口和电源输出接口，蓄电池管理模块和逆变电源模块，具有电源输入电压检测回路，电源输出电压、电流检测回路，电源工作电压模块，电源工作模式切换回路；
蓄电池管理模块：其采用智能型铅酸蓄电池充放电管理模块，零功耗待机，均、浮充自动转换，与蓄电池输入输出接口连接，用于对蓄电池的充电进行管理，按照不同功率需求，配置不同功率的电池管理模块；
逆变输出电源模块：其与蓄电池管理模块，蓄电池共同接在直流母线上，输出接入工作模式转换模块，当电源有外电输入，电源开关和电池开关均闭合时，处于工作状态，输出标准的50Hz正弦波交流电，给本电源系统提供内部电源，并处于电源热备用状态；
机箱：采用标准19英寸2U金属机箱，用于安装内部充电、逆变和监控模块，并设有一个外部交流电源输入接口、一个电源输出接口，蓄电池接口以及交流和直流回路控制开关，散热器出口。
2.如权利要求1所述的一种电力开关操作电源，其特征在于：所述的电源监控模块，包括一组输入电压检测回路，一组输出电压检测回路和一组输出电流检测回路，所述的输入、输出检测回路根据外部电源电压范围是否合格以及输出模块是否工作在加力输出状态，判断是否自动转入旁路运行状态，并可根据输入电压的范围，自动选择旁路模式或逆变模式输出，起到稳定输出电压的作用，且不会造成频繁的模式切换。
3.如权利要求2所述的电力开关操作电源，其特征在于：高频开关原理的直流充电模块，采用数字式高频开关原理和逆变桥的逆变电源输出模块，以及旁路和热备用工作模式切换的监控保护模块和低压直流蓄电池组共同构成的纯正弦波输出的旁路优先热备用电源系统。
4.如权利要求3所述的电力开关操作电源，其特征在于：所述的蓄电池管理模块包括高频开关直流电源电路单元、电压调节电路单元、电流调节电路单元、输出电压和电流测量单元、及环境温度测量单元，其中微控制器采用PWM调制方式输出控制电压调节电路单元和电流调节电路单元，实现对电池的充电电压和电流的调节，电压采用差分放大进行测量、电流采用专用传感器测量，取消充电输出的虚拟负载，降低待机功率。
5.如权利要求3所述的电力开关操作电源，其特征在于：所述的电池管理模块有浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为电池组标称电压27.2V，均充电压为28.5V，充电电流限制在电池容量的0.05～0.15C可调。
6.如权利要求3所述的电力开关操作电源，其特征在于：所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每60天进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压低于电池组标称电压的时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
7.如权利要求3所述的电力开关操作电源，其特征在于：蓄电池管理模块的微控制器通过环境温度测量元件对电池工作环境温度的测量，以20℃为基准，温度上升降低充电电压，温度下降则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
8.如权利要求4所述的电力开关操作电源，其特征在于：逆变输出模块由升压电路，直流母线，逆变单元，专用微控制器和辅助开关电源组成，电池电压先其高频开关电路和变压器，将电压升至直流420V，做为逆变单元的稳定直流电压输入，逆变单元由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受微控制器控制，输出220V/50HZ的标准纯正弦波交流电。
9.如权利要求4所述的电力开关操作电源，其特征在于：逆变输出单元在不超过10秒的时间内，超额输出200％的输出功率，带动突发性感性负载，如电动机的启动等，在此过程中，电源的电压可能会短时降低不超过10％，在负载恢复正常后，电源的输出将恢复正常。
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