CN213879374U

CN213879374U - 一种双反馈单相在线式不间断电源系统

Info

Publication number: CN213879374U
Application number: CN202022762842.4U
Authority: CN
Inventors: 邱燕倩
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2030-11-25

Abstract

本实用新型属于不间断电源领域，特别涉及一种双反馈单相在线式不间断电源系统，包括AC‑DC变换系统、DC‑DC变换系统、DC‑AC变换系统、控制系统、辅助电源系统和过流保护系统，AC‑DC变换系统、DC‑DC变换系统、DC‑AC变换系统串联连接在电源系统交流输入端，输出作为系统输出，控制系统、辅助电源系统和过流保护系统布置于系统外围。该电源系统仅用了两个反馈，输出正弦波质量好，输出效率高、负载调整率和电压调整率低、噪音小、具有过流保护和自恢复功能、输出频率按键可调、输出电压大小按键可调、人机交互良好。系统稳定性和安全性高，且功能丰富。

Description

一种双反馈单相在线式不间断电源系统

技术领域

本实用新型属于不间断电源领域，特别涉及一种双反馈单相在线式不间断电源系统。

背景技术

不间断电源是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，不间断电源将市电稳压后供应给负载使用，此时的不间断电源就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断，即事故停电时，不间断电源立即将储蓄电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。不间断电源设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。

因为电源的性能好坏直接影响到电子产品的技术指标，电源能否安全可靠地工作是各种电子产品中不可或缺的组成部分。不间断电源电源以其优良性能、稳定高效率节能的特点，成为稳压电源的主要产品。但从产品本身来说，低功率市场的产品同质化日趋严重，且在线式不间断电源结构较复杂。从波形角度看，目前市面上的存在的产品成本较高，输出质量较差，可能会造成剧烈不稳定影响。因此，迫切需要一种能提供高质量交流电、效率高、噪音小、具有各类保护和自恢复功能、灵活性强、人机交互良好的中小功率双反馈单相在线式不间断电源。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电的不间断电源。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种双反馈单相在线式不间断电源系统，包括AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统、控制系统、辅助电源系统和过流保护系统，AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统串联连接在电源系统交流输入端，输出作为系统输出，控制系统、辅助电源系统和过流保护系统布置于系统外围。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，AC-DC变换系统包括变压器和整流桥，变压器采用自耦变压器和隔离变压器串联连接于系统交流供电电源后，整流桥并联连接于隔离变压器之后，整流桥后级与辅助电源系统的输入端连接；整流桥采用单相全波整流电路，二极管选用IN4148。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，DC-DC变换系统包括包括BUCK电路、第一LC滤波电路和BOOST电路，BUCK电路、第一LC滤波电路、BOOST电路串联连接于AC-DC变换系统之后；BUCK和BOOST电路均包含开关管驱动电路，开关管驱动电路包括半桥驱动芯片UCC27211，第一、第二、第三、第四、第五、第六高功率开关管及外围电路。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，DC-AC变换系统包括全桥逆变电路和LC滤波电路，全桥逆变电路、第二LC滤波电路串联连接于DC-DC变换系统之后；全桥逆变电路包括半桥驱动芯片UCC27211、第一、第二、第三、第四高功率开关管CSD19536及外围电路，采用双极性SPWM调制；第二LC滤波电路中E型电感采用EE55型号的磁芯，电容采用CBB电容。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，控制系统包括单片机和二代板、电压电流互感器电路、AD采样电路、第一、第二按键与第一、第二LCD液晶显示屏；选用单片机MSP430F6638和MSP430f6638与FPGA结合的二代板作为控制核心，电压互感器电路和电流互感器电路、AD采样电路串联连接于系统输出处，第一矩阵键盘与第一LCD液晶显示屏连接，再连接单片机外围；第二矩阵键盘与第二LCD液晶显示屏连接，再连接二代板外围。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，控制电路的单片机使用自带LCD显示屏的MSP-EXP430F6638 USB实验板，矩阵键盘使用4×4矩阵键盘，电压互感器型号为TV1013 2mA/2mA，电流互感器型号为TA1013 2A/2mA，AD采样芯片采用16位8通道、高精度的ADS8688，线性稳压器采用LM1117。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，辅助电源系统包括+12V供电电路、+5V供电电路和+3.3V供电电路；+12V供电电路串联接于系统供电电源处，+5V供电电路串联接于+12V供电电源之后，+3.3V供电电路串联接于+12V供电电源之后；+12V供电电路包括射极跟随器和由降压芯片LM5164搭建的BUCK电路，+5V供电电路为使用降压芯片LM5164搭建的BUCK电路，+3.3V供电电路为使用芯片LM1117搭建的电路。

在上述的双反馈单相在线式不间断电源系统中，过流保护系统包括三极管、二极管和继电器电路；继电器电路布置于系统电源输入处，控制端即三极管基极连接于单片机IO口之后。

本实用新型的有益效果是：仅用了两个反馈的输出正弦波质量好、效率高、负载调整率和电压调整率低、噪音小、具有过流保护和自恢复功能、输出频率按键可调、输出电压大小按键可调、人机交互良好。

附图说明

图1：为本实用新型一个实施例的结构简图；

其中，1-AC-DC变换系统、2—DC-DC变换系统、3—DC-AC变换系统、4-控制系统、5-辅助电源系统、6-过流保护系统；

图2：为本实用新型一个实施例的AC-DC变换系统电路图；

其中，7-变压器、8-整流桥；

图3(a)：为本实用新型一个实施例的DC-DC变换系统的开关管驱动电路图；

其中，9-半桥驱动芯片、10-第一高功率开关管、11-第二高功率开关管、12-开关管驱动电路；

图3(b)：为本实用新型一个实施例的DC-DC变换系统电路图；

其中，13-第三高功率开关管、14-LC滤波电路、15-第四高功率开关管、16-第五高功率开关管、17-第六高功率开关管、35-BUCK电路、36-BOOST电路；

图4：为本实用新型一个实施例的DC-AC变换系统电路图；

其中，18-第一高功率开关管CSD19536、19-第二高功率开关管CSD19536、20-第三高功率开关管CSD19536、21-第四高功率开关管CSD19536、22-全桥逆变电路、23-LC滤波电路；

图5(a)：为本实用新型一个实施例的控制系统结构简图；

其中，26-二代板、27-第一LCD液晶显示屏、28-第一矩阵键盘、37-单片机MSP430F6638、38-第二LCD液晶显示屏、39-第二矩阵键盘；

图5(b)：为本实用新型一个实施例的控制系统电压互感器电路和电流互感器电路电路图；

其中，24-电压互感器电路、25-电流互感器电路；

图5(c)：为本实用新型一个实施例的控制系统线性稳压器和AD采样芯片电路图；

其中，40-外围电路、41-线性稳压器、42-AD采样芯片；

图6(a)：为本实用新型一个实施例的辅助电源系统+12V供电电源电路图；

其中29-+12V供电电源；

图6(b)：为本实用新型一个实施例的辅助电源系统+5V供电电源电路图；

其中30-+5V供电电源；

图6(c)：为本实用新型一个实施例的辅助电源系统+3.3V供电电源电路图；

其中31-+3.3V供电电源；

图7：为本实用新型一个实施例的过流保护系统电路图；

其中，32-五脚继电器、33-二极管、34-三极管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。

本实施例以MSP430F6638单片机和FPGA为控制核心，结合PID算法，设计制作了一种双反馈单相在线式不间断电源。系统包含变压器，Buck拓扑电路，Boost拓扑电路和逆变电源。变压器模块将市电降压，经全桥整流后输入直流变换电路，其中Buck电路将电压降至24V并与直流源并联，随后Boost电路将电压升压后输入逆变电路，逆变电路输出所需交流电压。在交流电源断电后直流源受控接入电路，保证输出连续。经测试，输出电压有效值和频率稳定，交流输入时负载调整率0.18％，电压调整率0.19％，直流输入时效率达到96.64％。此外，系统可以通过按键步进设置输出电压。系统稳定性和安全性高，功能丰富，人机交互良好。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种双反馈单相在线式不间断电源系统，包括：AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统、控制系统、辅助电源系统和保护系统，AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统串联连接在系统交流输入端，输出作为系统输出，控制系统、辅助电源系统和过流保护系统布置于系统外围。

而且，AC-DC变换系统包括自耦变压器、隔离变压器、桥式整流电路，两个变压器串联连接于系统交流供电电源后，桥式整流电路并联连接于两个变压器后。

而且，DC-DC变换系统包括BUCK电路和BOOST电路，BUCK电路和BOOST电路串联连接于桥式整流电路之后。

而且，控制系统包括单片机、单片机与FPGA结合的二代板、电压电流互感器电路、AD采样电路、第一、第二按键与第一、第二LCD液晶显示屏。使用单片机MSP430F6638作为控制核心，FPGA以Cyclone II系列EP2C5T144C8N作为控制核心，电压电流互感器电路、AD采样电路串联连接于系统输出处，按键与LCD液晶显示屏连接于单片机与FPGA外围。

而且，辅助电源系统包括+3.3V供电电路、+5V供电电路和+12V供电电路。+12V供电电路串联接于系统供电电源处，+5V供电电路串联接于+12V供电电源之后，+3.3V供电电路串联接于+12V供电电源之后。

而且，过流保护系统包括三极管、发光二极管和继电器电路。继电器电路布置于系统电源输入处，控制端连接于单片机IO口之后。

具体实施时，如图1所示，一种双反馈单相在线式不间断电源系统，包括：AC-DC变换系统1、DC-DC变换系统2、DC-AC变换系统3、控制系统4、辅助电源系统5和过流保护系统6。AC-DC变换系统1、DC-DC变换系统2、DC-AC变换系统3串联连接于输入交流电压源后，输出作为系统输出，控制系统4、辅助电源系统5和过流保护系统6作为外围部分。

如图2所示，本实施例的双反馈单相在线式不间断电源系统的AC-DC变换系统1包括变压器7、整流桥8。变压器7接在系统供电电源后，整流桥8接在变压器7后级。变压器7为自偶变压器和隔离变压器串接，整流桥8是单相全波整流电路，整流桥8后级与DC-DC变换系统2连接，整流桥8后级与辅助电源系统5中+12V供电电源29的输入端连接。

如图3(b)所示，本实施例的DC-DC变换系统2包括BUCK电路35和BOOST电路36以及第一LC滤波电路14。BUCK和BOOST电路均包含开关管驱动电路12。如图3(a)所示，开关管驱动电路12由半桥驱动芯片UCC27211 9，第一、第二、第三、第四、第五、第六高功率开关管10、11、13、15、16、17及外围电路组成。半桥驱动芯片UCC27211 9的VCC端并联与辅助电源系统5中12V供电电源29的输出端连接，COM端分别与低边第四、第六高功率开关管15、17的源极连接，且均连接到统地，LI端和HI端分别连接，并分别与控制系统3的四个PWM波输出口连接，HO端通过驱动电阻分别与高边第三高功率开关管13和第五高功率开关管16的栅极连接，LO端通过驱动电阻分别与低边第四高功率开关管15和第六高功率开关管17的栅极连接。高边第三高功率开关管13的源极与低边第六高功率开关管15的漏极连接，并与自举电容的另一端连接。高边第五高功率开关管16的源极与低边第六高功率开关管17的漏极连接，并与自举电容的另一端连接。高边第三高功率开关管13的漏极与AC-DC变换系统1中整流桥7的输出端连接。BUCK电路35的输出端电压为直流电压24V，通过第一LC滤波电路14滤去高次谐波，得到24V直流电。第一LC滤波电路14由E形电感和CBB电容串联组成，第一LC滤波电路14的两个输入端分别连接在第三高功率开关管13的源极与第四高功率开关管15的漏极连接处和BOOST电路36前电感处。BOOST电路36的电阻两端即系统的直流电源输出端。

如图4所示，本实施例的DC-AC变换系统3包括全桥逆变电路22、第二LC滤波电路23。全桥逆变电路22由半桥驱动芯片UCC27211，第一、第二、第三、第四高功率开关管CSD19536 18、19、20、21及外围电路组成。半桥驱动芯片UCC27211的VCC端并联与辅助电源系统5中12V供电电源29的输出端连接，COM端分别与低边第二、第四高功率开关管CSD1953619、21的源极连接，并都连接到系统地，LI端和HI端分别连接，并分别与控制系统4的两个SPWM波输出口连接，HO端通过驱动电阻分别与高边第一、第三高功率开关管CSD19536 18和20的栅极连接，LO端通过驱动电阻分别与低边第二、第四高功率开关管CSD19536 19和21的栅极连接。高边第一高功率开关管CSD1953618的源极与低边第二高功率开关管CSD1953619的漏极连接。高边第三高功率开关管CSD19536 20的源极与低边第四高功率开关管CSD19536 21的漏极连接。第一、第二、第三、第四高功率开关管CSD19536 18、19、20和21的栅源极之间连接泄放电阻。高边第一、第三高功率开关管CSD19536 18和20的漏极与DC-DC变换系统2中BOOST电路36的输出端连接。全桥逆变电路22的输出端电压为双极性、脉宽呈正弦规律变化的SPWM波，通过第二LC滤波电路23滤去高次谐波，得到低频正弦波交流电。第二LC滤波电路23由E形电感和CBB电容串联组成，第二LC滤波电路23的两个输入端分别连接在开关管18的源极与19的漏极连接处和开关管20的源极与开关管21的漏极连接处。第二LC滤波电路23的两个输出端即系统的正弦波交流电源输出端。

如图5(a)所示，本实施例的控制系统3包括单片机MSP430F6638 37、MSP430F6638和FPGA结合的二代板26、第一、第二LCD液晶显示屏27 38、第一、第二矩阵键盘28 39、电压互感器电路24、电流互感器电路25、AD采样芯片ADS8688 42以及外围电路40。第一部分43中，第一LCD液晶显示屏27为MSP430F6638和FPGA结合的二代板26自带，第一矩阵键盘28连接在MSP430F6638和FPGA结合的二代板26的8个IO口上，通过行扫描法获取按键键值并在控制中心二代板26中处理。MSP430F6638和FPGA结合的二代板26的一个SPWM波输出口与DC-AC变换系统3中高边第一、第三高功率开关管CSD19536 18、20的栅极连接，另一个SPWM波输出口与DC-AC变换系统3中低边第二、第四高功率开关管CSD19536的栅极连接，实现正弦波逆变器中的双极性SPWM调制。MSP430F6638和FPGA结合的二代板26的一个PWM波输出口与DC-DC变换系统2中高边第五高功率开关管16的栅极连接，另一个PWM波输出口与DC-DC变换系统2中低边第六高功率开关管17的栅极连接，实现BOOST电路中的同步PWM调制。如图5(b)所示，电压互感器电路24、电流互感器电路25接于系统输出后级，将大电压、电流变为可供AD芯片采样的电压信号并对信号进行滤波，使采样准确。电压互感器电路24、电流互感器电路25中运放的正电源端与辅助电源系统5的+5V供电电源30的输出连接，负电源端与地连接。如图5(c)所示，AD采样芯片ADS8688 42以及外围电路40由线性稳压器LM1117 41、AD采样芯片42组成。AD采样芯片ADS8688 42及其外围电路40的SCLK、SDI、SDO、CS、RST端分别与单片机26的任一IO口连接。DVDD端与线性稳压器LM1117 41的输出连接。线性稳压器LM1117 41的输入端与辅助电源系统5的+5V电源输出30连接。软件部分以单片机MSP430F6638 26、二代板37为控制核心，控制高速AD采样，实时监测输出交流电压、电流，并控制LCD显示。控制系统4为数字反馈系统，通过PID控制器1不断调整SPWM波调制比，使输出电压有效值稳定在30V，且当输出电流超过2.5A时，IO口输出高电平，控制继电器断开前级输入，实现过流保护，同时，靠调整读正弦波表的速度调整输出正弦波频率、靠设置输出电压的大小来改变输出电压稳定的有效值。在第二部分44中，LCD液晶显示屏38为MSP430F6638 37自带，第二矩阵键盘39连接在单片机MSP430F6638 37的8个具有中断功能的IO口上，通过行扫描法获取按键键值并在控制中心单片机MSP430F6638 37中处理。单片机MSP430F6638 37的一个PWM波输出口与DC-DC变换系统3中高边第三高功率开关管13的栅极连接，另一个PWM波输出口与DC-DC变换系统2中低边第四高功率开关管15的栅极连接，实现降压功能。依靠单片机MSP430F6638 37内部采样模块实时监测BUCK电路35输出和输出电压，实现过压和断开储能元件的功能。软件部分以单片机MSP430F663837为控制核心，控制AD采样芯片ADS8688 42，实时监测输入、输出直流电压并控制LCD显示。控制系统5为数字反馈系统，通过PID控制器2不断调整PWM波调制比，使BUCK电路35输出电压稳定在24V，且当整流桥输出电压超过70V时，IO口输出高电平，控制继电器断开前级输入，实现过压保护；当BUCK电路35输出电压低于20V时，IO口输出高电平，控制继电器导通，储能元件开始供电，实现在线式不间断电源的不间断供电。

本实施例的辅助电源系统5由+12V供电电源29、+5V供电电源30、+3.3V供电电源31组成。如图6(a)所示，+12V供电电源29接在AC-DC变换系统1中整流桥8后级，通过射极跟随器获得符合芯片输入要求的电压，使BUCK电路35得到+12V直流电源。如图6(b)所示，+5V供电电源30接在+12V供电电源29后级，使用降压芯片LM5164得到5V直流电源。+5V供电电源30接在+12V供电电源29后级，使用降压芯片LM1117得到+3.3V供电电源31，如图6(c)所示。

如图7所示，本实施例的过流保护系统6包括三极管34、二极管33和五脚继电器32。三极管34的基极通过电阻与控制系统3中单片机37的任一IO口连接，发射极接地，集电极与二极管33的阳极和继电器32线圈的一端连接，二极管33的阴极与五脚继电器32线圈的另一端连接。五脚继电器32的常闭端连接在AC-DC变换系统1中整流桥8的输入端。当输出电流超过过压保护点时，单片机IO口输出高电平，控制继电器断开前级输入，实现过压保护，同时发光二极管点亮，表示系统进入过流保护状态。

以上仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，包括AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统、控制系统、辅助电源系统和过流保护系统，AC-DC变换系统、DC-DC变换系统、DC-AC变换系统串联连接在电源系统交流输入端，输出作为系统输出，控制系统、辅助电源系统和过流保护系统布置于系统外围。

2.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，AC-DC变换系统包括变压器和整流桥，变压器采用自耦变压器和隔离变压器串联连接于系统交流供电电源后，整流桥并联连接于隔离变压器之后，整流桥后级与辅助电源系统的输入端连接；整流桥采用单相全波整流电路，二极管选用IN4148。

3.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，DC-DC变换系统包括BUCK电路、第一LC滤波电路和BOOST电路，BUCK电路、第一LC滤波电路、BOOST电路串联连接于AC-DC变换系统之后；BUCK和BOOST电路均包含开关管驱动电路，开关管驱动电路包括半桥驱动芯片UCC27211，第一、第二、第三、第四、第五、第六高功率开关管及外围电路。

4.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，DC-AC变换系统包括全桥逆变电路和LC滤波电路，全桥逆变电路、第二LC滤波电路串联连接于DC-DC变换系统之后；全桥逆变电路包括半桥驱动芯片UCC27211、第一、第二、第三、第四高功率开关管CSD19536及外围电路，采用双极性SPWM调制；第二LC滤波电路中E型电感采用EE55型号的磁芯，电容采用CBB电容。

5.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，控制系统包括单片机和二代板、电压电流互感器电路、AD采样电路、第一、第二按键与第一、第二LCD液晶显示屏；选用单片机MSP430F6638和MSP430f6638与FPGA结合的二代板作为控制核心，电压互感器电路和电流互感器电路、AD采样电路串联连接于系统输出处，第一矩阵键盘与第一LCD液晶显示屏连接，再连接单片机外围；第二矩阵键盘与第二LCD液晶显示屏连接，再连接二代板外围。

6.如权利要求5所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，单片机使用自带LCD显示屏的MSP-EXP430F6638 USB实验板，矩阵键盘使用4×4矩阵键盘，电压互感器型号为TV1013 2mA/2mA，电流互感器型号为TA1013 2A/2mA，AD采样芯片采用16位8通道、高精度的ADS8688，线性稳压器采用LM1117。

7.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，辅助电源系统包括+12V供电电路、+5V供电电路和+3.3V供电电路；+12V供电电路串联接于系统供电电源处，+5V供电电路串联接于+12V供电电源之后，+3.3V供电电路串联接于+12V供电电源之后；+12V供电电路包括射极跟随器和由降压芯片LM5164搭建的BUCK电路，+5V供电电路为使用降压芯片LM5164搭建的BUCK电路，+3.3V供电电路为使用芯片LM1117搭建的电路。

8.如权利要求1所述的双反馈单相在线式不间断电源系统，其特征是，过流保护系统包括三极管、二极管和继电器电路；继电器电路布置于系统电源输入处，控制端即三极管基极连接于单片机IO口之后。