CN201075711Y - 数字化不间断电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字化不间断电源系统，将输入电源输出到负载端的1#变压器，控制1#变压器二次线圈实现稳压功能的斩波回路，控制斩波回路的1#逆变器，接收输出端负载的反馈电流或将电池电流输出至负载的2#变压器，通过2#变压器，控制电池充/放电的AC/DC－DC/AC转换的2#逆变器及电池，驱动1#、2#逆变器的驱动单元，根据脉宽调制器PWM信号，通过驱动单元驱动1#、2#逆变器，运用软件程序控制整体系统功能的中央微处理器、高速检测单元、警报器、操作键盘、液晶显示器LCD等构成。本实用新型将控制功能全部数字软件化，从而实现高效率、多功能的在线式不间断电源系统。

Description

数字化不间断电源系统

【技术领域】

本实用新型涉及电力控制技术，尤其涉及一种数字化不间断电源系统。

【背景技术】

图1是现有不间断电源系统的原理框图。在正常工作状态下，通过输入端子的市电经A/D整流器4转换成直流电，再通过充电单元5给连接在系统上的电池充电，此直流电经D/A逆变器7变换成交流电，通过同步切换单元输出到负载。此时DC-DC整流器6阶段性的调节过压及欠压来维持输出电压为额定值。

如发生市电停电，电池的直流电通过DC-DC整流器6及整流管D后，在D/A逆变器7上转换成交流电并通过同步切换单元8输出到负载端来保证负载在停电状态下也能正常工作。

系统运行过程中，如市电再次送电，充电器5开始工作并为电池充电。当D/A逆变器7出现异常情况时，CPU 1检测到异常信号后，通过同步切换单元8将市电直接切换到负载上进入旁路状态，此时在显示面板上可看到系统异常提示信息。图中未说明的符号2是显示电池充电状态和电源供电状态的调节面板，3和9是滤波器，D是整流管。

但是从以上技术方案可以看出，现有不间断电源系统在市电正常状态时，市电经A/D整流器4转换成直流电，此直流电经D/A逆变器7变换成交流电，通过同步切换单元输出到负载端。这一过程，其自身损耗相当量的电能，所输出效率为83％-85％；逆变器的长期运行，导致电网产生高次谐波、波形畸变等问题，干扰周边设备正常运行；逆变器的长期运行，还使得不间断电源系统整体发热，易老化、减少使用寿命。

【实用新型内容】

本实用新型针对现有技术的上述缺陷，提供一种数字化不间断电源系统，以实现高智能、高效率、全数字化的不间断电源控制。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种数字化不间断电源系统，其特征在于，该系统包括：用一次线圈连接在输入开关与负载之间，控制输出电压稳定的1#变压器；

通过控制1#变压器二次线圈的电压/电流来稳定1#变压器输出的斩波回路；

控制斩波回路电压及电流的1#逆变器；

供应不间断电源的电池；

停电时，将电池电源转换为交流电源输出至负载，正常时，从负载端输入反馈电源转换为直流电源给电池充电的2#逆变器；

连接在2#逆变器和1#变压器输出负载端之间，正常市电时，将负载端输出电源反馈给2#逆变器侧，停电时，将2#逆变器输出电源输向负载端的2#变压器；

使用电流互感器CT、电压互感器PT检测输入开关后端的输入电压Vi/输入电流is、负载连接端的输出电压V0/输出电流ip、电池端的直流电压Vd，并采用阻抗回路方式处理检测信号从而实现无延迟、高速检测的高速检测单元；

接收高速检测单元检测出的输入/输出电压、输入/输出电流、直流电压等信号与按键录入的各种功能设定值进行比较处理，实现不间断电源、稳压功能及各种监视、显示、保护等功能的中央微处理器；

根据中央微处理器中脉宽调制信号PWM来控制1#逆变器和2#逆变器的脉宽调制信号PWM输出的驱动单元；

为操作者进行各种功能设置以及调整设定值等操作用的键盘；

显示各种状态、显示操作菜单及设定值的液晶显示器LCD。

其中，所述中央微处理器包括：

为实现稳压功能，控制1#逆变器，并通过斩波回路控制变压器的二次线圈来稳定输出电压的输出电压控制单元；

控制电池充电电压及充电电流的电池充电控制单元；

控制输入及输出电压调制的显示和控制警报功能的线路电压调制单元；

存储和管理各单元别设定值的单元别设置单元；

控制各单元，选择系统运行条件，控制报警、保护及旁路功能的主控制单元；

根据各单元控制功能，为驱动1#逆变器和2#逆变器，由主控制单元控制产生脉宽调制信号PWM输出给驱动回路的脉宽调制发生单元。

其中，使用微处理器控制键盘录入信号处理及显示器的显示功能，并以通讯方式处理与中央微处理器的键盘及显示器，与中央微处理器分开构成。

从以上技术方案可以看出，本实用新型采用高速检测、零切换时间技术在线连接，使输出电压不产生断续现象；在市电正常供应时，输入电压经1#变压器稳压后直接输出给负载，提高转换效率，同时工作电流未从逆变器经过，避免了逆变器的长期运行，解决了电网产生高次谐波、波形畸变问题，使设备运行正常，也使系统发热量减小，设备的使用寿命得以延长。

【附图说明】

图1为现有技术的不间断电源系统的方框图；

图2为根据本实用新型不间断电源系统的一实施例方框图；

图3为根据本实用新型不间断电源系统的另一实施例方框图；

图4为根据本实用新型不间断电源系统的简略回路图；

图5为根据本实用新型中央微处理器内部功能方框图；

图6a至图6e是根据本发明不间断电源系统的各个动作组别的电源流程经路说明图；

其中附图中符号说明如下：

10：1#变压器            11：输入开关

12：静态开关            20：斩波回路

30：1#逆变器            40：电池

50：2#逆变器            60：2#变压器

70：驱动单元            80：高速检测单元

90：中央微处理器        91：脉宽调制信号发生单元

92：输出电压控制单元    93：主控制单元

94：电池充电控制单元    95：线路电压调制单元

96：单元别设置单元      100：操作键盘

110：液晶显示单元       120：输入/输出控制单元

【具体实施方式】

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明介绍：

图2为根据本实用新型不间断电源系统的一实施例方框图。

参见图2所示，本实用新型不间断电源系统包括：输入电源通过输入开关11经1次线圈控制输出电压供给负载的1#变压器10；通过控制1#变压器10二次线圈的电压/电流来控制1#变压器10对负载输出的斩波回路20；控制斩波回路20电压/电流的1#逆变器30；断电时，供应不间断电力的电池40；断电时将电池40电源转换成交流电源输出，或市电正常供电状态时，从负载端受入反馈电源，转换成直流电源给电池40充电的2#逆变器50；连接在2#逆变器50和1#变压器输出端之间，市电正常供电状态时，将负载端电源向2#逆变器50反馈，断电时，接收通过2#逆变器50转换来的电池电源再输出给负载端的2#变压器60。

使用电流互感器CT和电压互感器PT分别检测：输入开关11后端输入电压/电流、负载连接端输出电压/电流、电池40直流电压，将检测信号运用阻抗回路实现无延迟时间高速检测的高速检测单元80；接收高速检测单元80检测出的输入/输出电压、输入/输出电流、直流电压等信号与按键录入的各种功能设定值进行比较处理，实现不间断电源、稳压功能及各种监视、显示、保护等功能的中央微处理器90；运用中央微处理器90中的脉宽调制信号控制1#逆变器30和2#逆变器50脉宽调制信号输出的驱动单元70；为操作者进行各种功能设置以及调整设定值等操作用的键盘系统100；显示各种状态、显示操作菜单及设定值的液晶显示器110。输入电源两条电线中在串联1#变压器10的另一条线上串联静态开关SCR 12，在异常状态下由中央微处理器90控制切断。

其中：检测输入/输出端电压电流的互感器是本行业专业人员都清楚，所以图上未标明。

图3为根据本实用新型不间断电源系统的另一实施例方框图。

如图3所示，使用微处理器控制键盘录入信号处理及显示器的显示功能，并以通讯方式处理与中央微处理器的键盘及显示器，与中央微处理器分开构成。

液晶显示器110上第一行是显示不间断电源整体状况，第二行是显示不间断电源内部各种变量数据：电池容量、电池电压、电池电流——输出电压、输出电流、输入电压、输入电流、输出频率、温度状态及停电次数、日期及时间，以上菜单是使用键盘100“上、下键”，进行选择读取。

键盘100的“MENU ESC”键是控制进、出菜单及数值移位，上下键是操作数值的增减、菜单的选择及选择显示内容用的，警报键是用于开/关报警器的，“SET RUN STP”键用于选择菜单设定数值，控制系统运行、停止或故障时重新启动系统用的。

键盘100上设有报警消除键可消除报警音，再按该键继续报警，发生异常时报警器连续报警，常态下瞬间过负载时自动报警，过负载解除后停止报警，不间断电源设备停止状态时也报警。

图4为根据本实用新型不间断电源系统的简略回路图。

参照图4说明本系统基本流程：输入电源Vi是由输入开关11输入到1#变压器10的一次线圈，再输出到负载端，这时，斩波回路20控制1#变压器10的二次线圈的电压和电流，控制输出电压Vo实现稳压的功能；

斩波回路20是由1#逆变器30来控制，1#逆变器30由中央微处理器90通过脉宽调制信号来控制；

正常市电输入状态时，负载端电压V0通过2#变压器60连接2#逆变器50，2#逆变器50是由中央微处理器90控制，转换为直流电源给电池40充电；

市电断电时，由中央微处理器90控制2#逆变器50，将电池40的直流电源转变为交流电源，通过2#变压器60输出给负载端，实现不间断电源功能；

本实用新型的脉宽调制器PWM是用来控制逆变器正弦波电压的，在控制方式上采用单极式脉宽调制方式，使得系统内部纹波电压降低了1/2，这是由中央微处理器90内部程序中的脉宽调制发生单元91来控制的，逆变器输入的正弦波频率可用按键设置，可与线路不同频率运行。高速检测单元80检测输入电压Vi时，以零电压切换功能来检测频率，输入与输出频率不同时，按照设定的输出频率调制脉宽，自动调整输出频率为设定频率输出。

图5为实用新型中央微处理器内部功能方框图。

参见图5所示，本实用新型是使用数字化微处理芯片，将逆变器、脉宽调制器(PWM)及旁路、电力半导体、开关装置、驱动信号等所有功能都实现数字化控制，通过键盘操作设置并存储本系统所有关联功能的参数及变量，实现高智能、高效率、全数字化的不间断电源控制装置。

中央微处理器90包括：

为了实现稳压功能AVR，控制1#逆变器30，通过斩波回路20控制1#变压器10的二次线圈输出电压的输出电压控制单元92；

控制电池40的充电电压及充电电流的电池充电控制单元94；通过监控输入/输出电压显示值来控制报警功能的线路电压调制单元95；存储和管理各单元别设置参数的单元别设置单元96；控制各单元，选择系统运行条件，控制报警、保护及旁路等功能的主控制单元93；根据各系统的控制功能，为驱动1#逆变器30和2#逆变器50由主控制单元93控制产生脉宽调制信号PWM输出给驱动回路的脉宽调制发生单元91等所构成。

本发明的脉宽调制器PWM是用来控制逆变器正弦波电压的，在控制方式上采用单极式脉宽调制方式，使得系统内部纹波电压降低了1/2，这是由中央微处理器90内部程序中的脉宽调制发生单元91来控制的，逆变器输入的正弦波频率可用按键设置，可与线路不同频率运行。高速检测单元80检测输入电压Vi时，以零电压切换功能来检测频率，输入与输出频率不同时，按照设定的输出频率调制脉宽，自动调整输出频率为设定频率输出；

输出电压控制单元92控制检测出的输出电压保持与基准电压一致，输出电压控制器为满足负载的稳定性和应答性，执行控制电压及控制输出电流补偿的功能。由高速检测单元检测输入/输出电压、电流，演算处理后，通过控制1#逆变器30的脉宽调制使输出的电压及电流达到设定值输出，同时通过斩波回路20控制1#变压器10的二次线圈电压及电流，形成输出电压和电流的补偿来执行稳压功能；

电池充电控制单元94执行浮充电压充电以及第一次安装时或电池放电至最低电压时的均等充电工作，最大充电电流是受限制的。均等充电时，充电电流低于最大充电电流的10％以下时，转入浮充状态；充电电流的控制是以输入电流和输出电流之差的实效值来计算电池充电电流大小的，并以最大充电电流值来限制充电电流。充电接近饱和状态时，使用稳压功能减小充电电流，充电电流的响应是以充电控制反馈信息来定。在均充电压的温度补偿方面，当机温低于常温时，调高充电电流，机温高于常温时，降低充电电流，机温高于常温时使用阳温补偿方式，低于常温时使用阴温补偿方式；

线路电压调制单元95，线路电压的正常与否是由额定电压和实际电压之差而定，当差异值大于设定值时，启动逆变器。这是以检测输入电压来控制的；检测线路电压时，电压变化在警界值边缘时，通过边带电压控制线路运行和逆变器运行的频繁切换；

在检测线路电压是否正常时，应用检测电压的矫正值来钝化线路电压的敏感度，线路电压频繁的变化超出设定的允许变化范围，不通过线路，只通过逆变器将电池电源输出给负荷；

即：检测电压时运用电压允许变化范围及系统电压矫正值来减少频繁切换，系统出现异常频率或电压超出额定范围时，自动断开输入电源，只通过逆变器运行，这是由中央微处理器90来控制切断静态开关12来切断输入电压，启动2#逆变器，将电池40的充电电源转换为交流输出电压Vo输出至负载端；

单元别设置单元96是设置各种设定值的单元，通过按键100选择菜单，设置各种设定值并存储，然后用选择功能设置系统运行频率60Hz或50Hz；由逆变器运行，待电池全部放电、市电再次恢复时，选择该系统是否自动运行，并选择控制板的继电器端子的运行方式；在模拟信号中提取数值或输出时，如变换差异不够精确会导致微处理器控制产生误差，为了精确地测定，需要重新调整变换差异值。此时，可在精细调整范围内进行调整：电池电压的差异是电池电压测定差异值，输出电压的差异是输出电压测定差异值，输出电流差异是输出电流测定差异值，充电电流的差异是充电电流测定的差异值，输入电压的差异是输入电压测定的差异值等，这些变数利用额定输出电流在液晶显示器120上显示，输出电压差异升高时，在显示器上显示增加，但在逆变器稳定控制器上显示是减少电压；

主控制单元93是控制上述各单元的同时，按照各控制单元的功能，控制脉宽调制发生单元91真正实施不间断电源系统的主要控制；报警功能是在正常电压运行时不报警，在非正常电压由逆变器运行时进行报警，报警器根据逆变器运行、保护功能发生异常、电池老化状态等不同的报警情况分别以不同的声音报警。

保护功能是在电池低电压状态、过电流、过负载、电池异常、旁路过电流等保护作用；

电池电压放电低于额定电压85％以下，不能维持额定输出电压允许值时，系统发出低电压信号，此时逆变器最多运行30秒，电池电压再次达到额定电压允许值时，系统恢复正常运行；

过电流保护是逆变器运行中，输出电流持续超过负载正常状态值的300％时，为保护逆变器，系统停止运行；

过载是为了保护逆变器，当输出电流超过额定电流运行1分钟以上时，认定为过载状态；

电池异常是指，电池电压放电至额定电压的85％时发出警报并停止逆变器运行，当有输入电源但电池在开放状态时，也会电池异常报警，这时逆变器处于启动运行状态，连接电池后，系统恢复正常状态；

旁路过电流：市电电压运行时，输出短路或发生异常时，为保护旁路开关系统将断开旁路开关，异常电流的基准值是过电流值；

测试功能：该功能与市电无关，为了测试逆变器，按键盘上的测试键进行测试，这时静态开关12自动断开、运行逆变器10秒后，系统恢复正常状态；

初始化功能：包括故障初始化、变量初始化、系统初始化等。故障初始化是消除过去发生的故障记录，进入初始状态；变量初始化是将所有变量及选择功能恢复到初始状态；系统初始化是重新启动系统。

本发明根据执行以上控制功能的中央微处理器，可分为在线运行、逆变运行及旁路运行，其状态如图形6a-6e所示：

正常在线运行方式如图6a所示：输入电源经1#逆变器30通过斩波回路20控制1#变压器10的二次线圈实现稳定电压输出给负载，并且通过2#逆变器50的功能，给电池40充电；

断电时，如图6b所示：检测到输入电源断电时，控制2#逆变器50将电池40电源输出给负载，用逆变方式运行；

市电恢复时，如图6c所示：市电经过稳压，输出给负载，并从负载端输出反馈电源通过2#逆变器给电池40充电。输入电源通过1#逆变器30及斩波回路20控制1#变压器10的二次线圈产生稳定电压输出给负载，恢复正常运行。

旁路运行如图6d所示：是输入电源不通过不间断电源的其它功能直接输出给负载的运行方式；

过负载或设备异常时，如图6e所示：自动转为旁路，输入电源不经过电源逆变回路直接输出给负荷的运行方式。，

以上对本发明所提供的一种数字化不间断电源系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种数字化不间断电源系统，其特征在于，该系统包括：用一次线圈连接在输入开关与负载之间，控制输出电压稳定的1#变压器；

通过控制1#变压器二次线圈的电压/电流来稳定1#变压器输出的斩波回路；

控制斩波回路电压及电流的1#逆变器；

供应不间断电源的电池；

停电时，将电池电源转换为交流电源输出至负载，正常时，从负载端输入反馈电源转换为直流电源给电池充电的2#逆变器；

连接在2#逆变器和1#变压器输出负载端之间，正常市电时，将负载端输出电源反馈给2#逆变器侧，停电时，将2#逆变器输出电源输向负载端的2#变压器；

使用电流互感器CT、电压互感器PT检测输入开关后端的输入电压Vi/输入电流is、负载连接端的输出电压V0/输出电流ip、电池端的直流电压Vd，并采用阻抗回路方式处理检测信号从而实现无延迟、高速检测的高速检测单元；

接收高速检测单元检测出的输入/输出电压、输入/输出电流、直流电压等信号与按键录入的各种功能设定值进行比较处理，实现不间断电源、稳压功能及各种监视、显示、保护等功能的中央微处理器；

根据中央微处理器中脉宽调制信号PWM来控制1#逆变器和2#逆变器的脉宽调制信号PWM输出的驱动单元；

为操作者进行各种功能设置以及调整设定值等操作用的键盘；

显示各种状态、显示操作菜单及设定值的液晶显示器LCD。

2.根据权利要求1所述的数字化不间断电源系统，其特征在于，所述中央微处理器包括：

为实现稳压功能，控制1#逆变器，并通过斩波回路控制变压器的二次线圈来稳定输出电压的输出电压控制单元；

控制电池充电电压及充电电流的电池充电控制单元；

控制输入及输出电压调制的显示和控制警报功能的线路电压调制单元；

存储和管理各单元别设定值的单元别设置单元；

控制各单元，选择系统运行条件，控制报警、保护及旁路功能的主控制单元；

根据各单元控制功能，为驱动1#逆变器和2#逆变器，由主控制单元控制产生脉宽调制信号PWM输出给驱动回路的脉宽调制发生单元。

3.根据权利要求1所述的数字化不间断电源系统，其特征在于，使用微处理器控制键盘录入信号处理及显示器的显示功能，并以通讯方式处理与中央微处理器的键盘及显示器，与中央微处理器分开构成。

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