CN1226099A - 不间断电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明包括在交流电压与蓄电池电压之间进行切换的开关以及响应于开关的切换执行交流/交流变换或直流/交流变换的交流稳定电路20。交流稳定电路包括并联电路、滤波电容器17和交流电抗器4。开关具有公共端和切换触点,切换触点分别连接到交流输入端一端和蓄电池2,公共端经交流电抗器4连接到第一串联支路的中点,另一交流输入端连接到第二串联支路的中点。第二和第三串联支路的中点经由交流滤波器18连接到一对交流输出端。

Description

不间断电源装置
本发明涉及诸如计算机用不间断电源的电路结构，尤其涉及以市电供电方式为基础的不间断电源装置，在正常情况下由市电供电，当市电供电发生问题时由蓄电池通过电源变换电路向负载供电。
图7表示以常规的市电供电方式为基础的一种电路构造(单相电路图)。其中，通过交流输入端输入的市电电压通常经由开关1直接从交流输出端输出，与此同时，充电器3向蓄电池2充电，在市电供电发生问题时提供备用电。
当市电供电有误，诸如断电或电压下降或升高时，开关1同时切换到逆变器21，由蓄电池2通过逆变器21提供交流电，由此实现不间断电源(见1989年2月出版的“OHM”杂志第33页)。
由于常规的不间断电源装置在正常市电供电期间经由开关1向负载直接馈电，由此带来以下一些问题：
(1)由于市电电压的变化直接影响到负载，为了切换到逆变器21，必须尽可能快地检测市电方面的误差。即，必须将市电电压变化的影响减至最小。
(2)由充电器3和逆变器21组成的电源变换电路包括交流/直流变换电路(变换器)和直流/交流变换电路(逆变器)，并具有直流中间电路。这样，就需要电解电容器作为逆变器的直流输入电压电源，由此造成装置的尺寸增大并需要顾及电容器的期望使用寿命。
因此，本发明的目的在于设计一种不间断电源装置，在正常市电供电期间它能避免市电电压变化对负载造成的直接影响，同时，当由蓄电池供电时无需直流中间电路，由此稳定供给负载的电压，减小装置的尺寸并延长了使用寿命。
为了实现上述目的，本发明在正常市电供电期间通过采用交流断续器(chopper)的交流稳定电路向负载供电，而在市电停电期间将蓄电池连接到交流稳定电路的交流输入端，将来自蓄电池的直流电压转换成交流电压供给负载。
即，正常供电期间，交流稳定电路稳定市电电压以获得交流电压；当市电停电时，交流稳定电路作为逆变器向负载提供交流电压。
根据权利要求1的本发明包括用以在交流电压与蓄电池供电的直流电压之间进行切换的开关，它根据交流电压的正常或异常特性进行输出；以及连接到所述开关的输出端，响应于切换操作执行交流/交流变换或直流/交流变换，以输出交流电压的交流稳定电路。
如权利要求2所述的本发明，提供一种按权利要求1的不间断电源装置，其中，所述交流稳定电路包括并联电路、滤波电容器和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；滤波电容器与所述并联电路并联连接；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中，所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点，第二串联支路的连接中点和第三串联支路的连接中点经由输出交流滤波器连接到一对交流输出端。
如权利要求3所述的本发明，提供一种按权利要求1的不间断电源装置，其中，所述交流稳定电路包括并联电路、滤波电容器和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；滤波电容器与所述并联电路并联连接；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中，所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点，第二串联支路的连接中点和第三串联支路的连接中点连接到一对交流输出端。
如权利要求4所述的本发明，提供一种按权利要求1的不间断电源装置，其中，所述交流稳定电路包括并联电路和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中，所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点、滤波电容器的一端和一个交流输出端，第三串联支路的连接中点连接到滤波电容器的另一端和另一交流输出端。
在上述每个发明中，当交流输入电压正常时，电压通过充电器转换为直流电压向蓄电池充电。在此情况下，充电器连接在蓄电池与交流输入端或输出端或第一至第三串联支路的任一支路的一端之间。
以下参照附图描述本发明的实施例。
图1是表示如权利要求1所述的本发明的一个实施例的电路图。
图2是表示如权利要求2所述的本发明的一个实施例的电路图。
图3是表示如权利要求3所述的本发明的一个实施例的电路图。
图4是表示如权利要求4所述的本发明的一个实施例的电路图。
图5是表示如权利要求2所述的本发明的另一个实施例的电路图。
图6是表示各实施例中交流输入电压与滤波电容器电压的波形图。
图7是表示常规技术的电路图。
图中标号表示如下：
1开关；2蓄电池；3充电器；4交流电抗器；5至10半导体开关元件(MOSFET)；11至16二极管；17,19滤波电容器；18交流滤波器；20交流稳定电路；20A,20B交流断续器；21逆变器。
图1中，开关1的一个切换触点连接到交流输入端，另一个切换触点经由充电器(交流/直流变换电路)3连接到交流输入端。蓄电池2连接到充电器3的直流输出端，交流稳定电路20连接到开关1的输出端，交流稳定电路的输出端连接到交流输出端。
此结构中，当连接到交流输入端的市电为正常供电时，市电电压经由开关1和交流稳定电路20转换为用于装置的交流输出电压。此时，蓄电池2通过充电器3充电。
当市电供电发生诸如停电或电压升高或下降等问题时，开关1切换到蓄电池2一侧，与此同时交流稳定电路20作为逆变器输出交流电压。在此结构中，开关1可以由机械开关或半导体开关构成。
本实施例中，尽管充电器3连接在交流输入端与蓄电池2之间，但充电器也可以连接在蓄电池2与交流稳定电路20的输入端或输出端之间。
图2表示如权利要求2所述的本发明的一个实施例。该实施例采用一个交流断续器20A，它如同图1所示的交流稳定电路20。
该交流断续器20A中，二极管11和12与半导体开关元件(MOSFET)5和6反相并接形成第一串联支路。同样，开关元件7和8与二极管13和14构成第二串联支路，开关元件9和10与二极管15和16构成第三串联支路。第一至第三串联支路并联连接，滤波电容器17连接到该并联电路的两端，交流电抗器4的一端连接到第一串联支路的连接中点。
所述交流电抗器4的另一端经由开关1的公共端和一个切换触点连接到一个交流输入端。此外，另一交流输入端和输出交流滤波器18的其中一个输入端连接到第二串联支路的中间连接点。输出交流滤波器18的另一输入端连接到第三串联支路的中点。输出交流滤波器18由电抗器和电容器组成。
蓄电池2连接在开关1的另一切换触点与第一至第三串联支路的一个公共接点之间，充电器3连接在蓄电池2与第一至第三串联支路的另一个公共接点之间。
此结构中，如果来自市电的交流输入电压落到预定值以下，第二和第三串联支路的开关元件7至10以交流输入电压的频率接通和断开，第一串联支路的开关元件5和6以更高的频率接通和断开。这样，滤波电容器17产生一个单相全波整流波形，其幅值大于交流输入电压的幅值，如图6所示。通过使开关元件7至10接通和断开，而使单相全波整流波形的电压为零，可以从交流输出端获得正弦波的交流电压。在此情况下，交流滤波器18用以除去高频波纹。
此外，如果交流输入电压高于一个预定值，第一和第二串联支路的开关元件5至8以交流输入电压的频率接通和断开，而第三串联支路的开关元件9和10以更高频率接通和断开。然后，滤波电容器17产生一个单相全波整流波形，其幅值几乎与交流输入电压的幅值相等。交流滤波器18的输出端产生一个正弦波的交流电压，其幅值小于交流输入电压的幅值。当市电正常时，执行交流/直流转换的充电器3向蓄电池2充电。
不管交流输入电压如何变化，本实施例可以从交流输出端获得稳定的正弦波形交流电压。
当交流输入电压升高超过一个预定电压或供电间断时，开关1切换到蓄电池2一侧使第二和第三串联支路的开关元件7至10以交流输入电压的频率接通和断开，而使第一串联支路的开关元件5和6以更高频率接通和断开。然后，滤波电容器17产生一个波形，它几乎与图6所示的滤波电容器的电压波形相等，通过交流滤波器18可以从交流输出端获得正弦波的交流电压。即，交流断续器20A起到逆变器的作用，防止电源的间断。
当然，在上述结构中，可以将机械开关或半导体开关用作开关1。此外，充电器3可以插在交流输入端或输出端与蓄电池2之间。
图3表示如权利要求3所述本发明的一个实施例。该实施例与图2所示实施例的不同之处在于交流输出电路未包含交流滤波器18。
该结构中，如果交流输入电压下降到一个预定值以下，则如图2所示，第二和第三串联支路的开关元件7至10以交流输入电压的频率接通和断开，而第一串联支路的开关元件5和6以更高频率接通和断开以提高交流输出电压，如图6中的波形所示。然而，如果交流输入电压超过一个预定值时，此结构却不能将交流输出电压值减低到低于相应于交流输入电压的一个值。
图4表示如权利要求4所述的本发明的一个实施例。该实施例与图3所示实施例的不同之处在于在交流输出电路中设置了一个滤波电容器19。交流断续器20B包括由开关元件5至10和二极管11至16组成的第一至第三串联支路。
该电路的工作原理与图3所示的相同，但流经开关元件7至10的每一电流的波形含有较多的纹波。
图5表示如权利要求2所述的本发明的另一个实施例。该实施例与图2所示实施例的不同之处在于蓄电池2和充电器3的连接。即，虽然图2所示的实施例将蓄电池2的负极连接到滤波电容器17的一端(第一至第三串联支路的并联电路的一端)，将蓄电池的正极经由充电器3连接到滤波电容器17的另一端(并联电路的另一端)，但图5所示的实施例却将蓄电池2的正极连接到滤波电容器17的另一端，将蓄电池的负极经由充电器3连接到滤波电容器17的一端。整个电路的工作原理与图2所示实施例的相同。
在图3和图4所示的实施例中，用于蓄电池2的充电电路也可以采用类似的结构。
如上所述，本发明一般采用由交流断续器构成的交流稳定电路来稳定交流输入电压，由此产生一个不管电源电压如何变化而始终向负载提供一个稳定的交流电压的用于装置的交流输出电压，此外，如果电源电压变得过高或发生断电，交流稳定电路就用作逆变器输出一个稳定的交流电压，由此将无需频繁地将开关切换到蓄电池一侧，减少了蓄电池的放电次数，实现稳定的操作。
再者，交流稳定电路可以作为交流断续器构成而无需直流中间电路，由此避免使用诸如电解电容器之类寿命有限的部件。此允许减小装置的尺寸，并使寿命延长。

Claims (4)

1．一种不间断电源装置，其特征在于包括：
用以在交流电压与蓄电池供电的直流电压之间进行切换的开关；以及
连接到所述开关的输出端，响应于切换操作执行交流/交流变换或直流/交流变换，以输出交流电压的交流稳定电路。
2．如权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于，
所述交流稳定电路包括并联电路、滤波电容器和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；滤波电容器与所述并联电路并联连接；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中：
所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点，第二串联支路的连接中点和第三串联支路的连接中点经由输出交流滤波器连接到一对交流输出端。
3．如权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于，
所述交流稳定电路包括并联电路、滤波电容器和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；滤波电容器与所述并联电路并联连接；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中：
所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点，第二串联支路的连接中点和第三串联支路的连接中点连接到一对交流输出端。
4．如权利要求1所述的不间断电源装置，其特征在于，
所述交流稳定电路包括并联电路和交流电抗器，其中，并联电路包括第一至第三串联支路，每条串联支路包括串联连接的两个半导体开关元件，二极管单独反相与半导体开关元件并联；交流电抗器的一端连接到第一串联支路的连接中点；其中：
所述开关具有一个公共端和两个切换触点，每个切换触点分别与一个交流输入端和一个蓄电池相连，而公共端连接到所述交流电抗器的另一端，另一交流输入端连接到第二串联支路的连接中点、滤波电容器的一端和一个交流输出端，第三串联支路的连接中点连接到滤波电容器的另一端和另一交流输出端。
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