CN2227384Y

CN2227384Y - 一种在线式不间断电源

Info

Publication number: CN2227384Y
Application number: CN 95210131
Authority: CN
Inventors: 李怀生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2005-05-16

Abstract

本实用新型公开了一种在计算机等电子设备中广泛应用的新型、高效在线式不间断电源。采用了在同相控制器电路控制下，市电正弦波与逆变电压正弦波同相叠加的技术方案。这在不间断电源中，是一全新设计思路。为保证无市电时，蓄电池组直流电压与市电正弦波电压串联叠加的需要，增加了一个可将蓄电池直流电压整形为正弦沿梯形波的电路。本实用新型集后备式与在线式不间断电源的优点于一身：转换效率高，结构简单，供电质量好；稳压、稳频、无切换时间。

Description

一种在线式不间断电源

本实用新型涉及一种电源，特别是在计算机等电子设备中广泛使用的不间断电源。

目前的现有技术中，传统的不间断电源工作方式有两种：在线式和后备式。在线式不间断电源传统的工作模式为：市电经整流、滤波、降压后，转化为可供蓄电池充电以及逆变器使用的直流电，然后逆变器再将该直流电转换为逆变交流电。这一工作方式行业里称为交流-直流-交流的两步工作方式。在线式不间断电源由于总是由逆变器对设备供电，这样就避免了市电电网带来的电压波动对电子设备所产生的干扰和影响，能作到稳压、稳颇供电。而就转换效率而言，由于其输出必须全部由逆变变压器提供，通过两次变换，致使市电的利用率很低，转换效率仅达60％左右，其余能量转换成热能消耗掉。更令人难以接受的是传统的在线式不间断电源设备构造复杂。而后备式不同断电源的逆变器总是处于后备状态，只有当无市电时，逆变器才开始工作。后备式不同断电源无论从运行效率、价格、体积都优于在线式不间断电源。但是，由于当有交流市电供给时，市电直接送入设备，就会把电网干扰带给设备；当无市电时，后备式不同断电源由市电供电状态转换到逆变供电工作状态，而存在切换时间，所以供电质量明显不如在线式的。

本实用新型要解决的任务是提供一种在线式不同断电源，它能将后备式电源与在线式电源的优点集于一身。使行业里一直致力解决的：争取转换时无切换时间、输出正弦波形、节能高效三大问题同时得到园满实现。

为解决上述任务，本实用新型采用的解决方案是：在严格使市电与逆变电压同频、同相的前提下，本发明人采用了使市电正弦波与逆变电压正弦波串联同相叠加的构想，这一构想使得在有市电正常供给时，逆变器只起一个对市电不足的瞬时补偿作用。从而使市电一步转化为高效的、可直接供设备使用的、无任何间断时间的正弦波交流输出。为此，专门设计了一个市电-蓄电池供电电路模块来实现这一构想。在以往的不间断电源中，逆变器的输出直接与蓄电池组串接，使蓄电池组的电压作为输出电压的一部分，送至交流还原电路。而新设计的市电-蓄电池供电电路模块将市电经整流全桥输出的单向正弦脉动波与蓄电池电压相并联，并联的实现受一同相控制器电路控制。当市电正常供给时，同相控制器电路自动改变逆变基准正弦波的颇率，使之与市电取得同频同相，这样市电的电压便可直接与逆变电压相叠加，然后送给交流还原电路，经还原后输出一与市电同频同相的正弦波。当市电降低时，电源中的逆变稳压电路实时跟踪并补足波形。当无市电时，逆变稳压电路金部逆变蓄电池的直流电压。为保证输出波形为正弦波，应将与逆变器输出相叠加的蓄电池组直流电压整形为正弦沿梯形波，以适应与市电正弦波串联叠加的需要。为此，如何“削”蓄电池组直流电压为正弦沿梯形波就成为本实用新型区别于传统的不间断电源的另一技术特征。正弦波梯形沿的形成是由一线性模拟电路完成的。为加强正弦沿梯形波对应峰顶处的负载能力，增加了一个峰顶强推动开关电路。

由于在上述解决方案中采用了在同相控制器电路控制下，市电正弦波与逆变正弦波串联同相叠加的技术方案，实时决定逆变器是否逆变，做到了充分利用市电能量，提高效率的目的。本实用新型对市电转换效率高达90％以上，而且成本降低、体积缩小、结构简单。供电质量好，稳压、稳频、无切换时间。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的基本构想市电-蓄电池供电电路模块原

理示意图；

图2是实施图1构想的一种在线式不间断电源的原理框图；

图3是同相控制器电路原理框图；

图4是图3所示同相控制器关键部位电路原理图；

图5是蓄电池直流电压正弦沿梯形波整形电路原理框图；

图6是图5所示原理框图的实际电路原理图；

图7是本实用新型另一个实施方式的电路原理图；

在图1所描述的这种在线式不间断电源的基本构想市电-蓄电池供电电路模块原理示意图中，包括一个市电输入端受一同相控制器电路控制的桥式整流电路B₁，一个二极管D₁、一个蓄电池组BAT、一个滤波电容C₁。二极管D₁的负极与蓄电池组BAT的正极串联相接，二极管D₁的负极与蓄电池组BAT的负极和B₁的输出端、电容C₁并联。市电经过桥式整流电路输出的脉动波与蓄电池组电压相并联，其并联的实现是受同相控制器电路控制的。当市电供给时，同相控制器自动改变基准正弦波的频率使之与市电同频同相。这样，经整流后的脉动波送入叠加点A，市电电压便可直接与逆变电压叠加。然后送给后续的交流还原电路，输出一与市电同频同相的正弦波。当市电降低时，电源中的逆变稳压电路实时跟踪并补足波形。当无市电时，逆变稳压电路全部逆变蓄电池的直流电压。为保证输出波形为正弦波，应将与逆变器输出相叠加的蓄电池组直流电压整形为正弦沿梯形波，以适应与市电正弦波串联叠加的需要。

在图2的在线式不间断电源原理框图中，为保证图1所阐述的技术方案的实施，由主要包括市电限压电路、同相控制器电路、市电-蓄电池供电电路模块、基准波发生器电路、逆变稳压电路、逆变调制器电路、正弦沿梯形波整形电路及交流还原电路组成本在线式不间断电源。其中保证市电电压与逆变电压同颇同相叠加的是同相控制器电路；将蓄电池组直流电压整形为正弦沿梯形波，以便与逆变电压相叠加的是正弦沿梯形波整形电路。这两部分电路是实现本方案的关键部分。

在图3所示的同相控制器原理框图中，有一个50HZ基准方波发生器，它受一变频器、一锁相器控制；当市电供给电源时，市电与基准方波的初相位是随机的。如果等待它们自然寻找同相，往往很难实现。这时，变频器工作，变频器使方波发生器产生一不足0.8HZ的频偏，这样，市电电压与逆变电压的相位开始错动，当逆变电压与交流市电电压实现同相时，被市电相位采样器采集的体现市电正弦波每一周期起点的过零信号S3就会落入一基准门控信号发生器产生的门控信号S2门内。同相门控器向锁相器发出锁相信号，锁相器开始工作。锁相器首先使变颇器停止工作，随后，在每个交流市电周期的起点，向基准方波发生器发出起点复位信号。这样，基准方波发生器将产生一与市电同频同相的基准方波S1。再经50HZ带通滤波后将得到一与市电同频同相的基准正弦波。在这一控制电路中，其要点为基准方波发生器输出的基准方波S1的下跳沿应处在基准门控信号发生器所发门控信号S2的中间，这样对市电频率的正、负误差都会有很强的适应性。实践表明：S2的宽度为周期为最佳选择。S2太小，控制可靠性差；S2太大，容易引进干扰，产生误复位。例如，市电突然停供时，产生的随机过零脉冲，如果没有宽度适当的门控信号S2的控制，很容易干扰方波发生器的正常工作。

图4是按上述电路原理利用现有技术设计而成的产生S2门控信号的具体电路。它包括一个具有输出端7、输出端13的74LS191；该电路还包括一个具有输入端A、B、输出端Q的单稳电路74LS123。它们的联接关系是：74LS191的13脚接74LS123的输入端A。该电路是这样工作的：74LS191的13脚在一个周期开始前的处，会发出一负脉冲信号，本电路抓住这一特点，用其脉冲的下跳沿触发74LS123的单稳电路，从而得到一脉宽为周期的正脉冲序列S2，在74LS191的7脚输出50HZ方波脉冲序列S1。

图5、图6所描述的原理框图和电路原理图表明：蓄电池组直流电压正弦波整形电路是由一梯形波线性模拟电路和一峰顶强推动电路组成。作用是“削”蓄电池组直流电压为正弦沿梯形波。梯形波线性模拟电路主要由基准正弦波桥式整流电路B₂、变压器BT₁晶体管BG₂、BG₃、及复合晶体管BG₄、附加电源VB组成。它们的主要联接关系是：由同频同相电路得到的基准正弦波输入至变压器BT₁初级，BT₁次级接到基准正弦波桥式整流器B₂的输入端，桥式整流的输出负端通过可调电阻RW接晶体管BG₂的基极，正端接一比较器L的正端。附加电源VB通过BG₂的集电极电阻接BG₂的集电极，BG₂的集电极接BG₃的基极，BG₃的发射极接复合管BG₄的基极，BG₃与BG₄集电极并接在一起，接到蓄电池组的正极，在复合管BG₄的发射极得到“削”波输出。附加电源VB是为了提高线性模拟电路的驱动能力而增设的。如果没有这个附加电源，在梯形沿的上部，波形差，且无推动能力。在实验中可明显看出，在峰顶强推动电路开关电路未导通前，几乎无任何负载能力。为加强峰顶的负载能力，所设计的峰顶强推动开关电路主要包括比较器L、晶体管BG₆、光电耦合放大器OPT和晶体管BG₅。它们之间主要的联接关系是：蓄电池电压经电阻R₂与R₁分压的分压点接比较器L的负端，比较器的正端接桥式整流器的正端。比较器的输出接BG₆的基极，一正电源Va接光电耦合放大器OPT的二极管端正极，二极管负端通过电阻R₃接晶体管BG₆集电极，光电耦合放大器OPT的输出通过电阻R₄接晶体管BG₅的基极，BG₅的发射极接线性模拟电路复合晶体管BG₄的基极。当比较器的正端输入电平高于比较器负端电平时，相当于基准正弦波瞬时电平超过事先设定的峰顶电压电平，这时，基准正弦波处于峰顶状态，比较器有输出，光电耦合放大器OPT导通，推动线性模拟电路的复合晶体管BG₄，这样就增强了输出的峰顶负载能力。

本实用新型也可按另一个实施方式的电路原理图(图7)设计出另一种具体结构的在线式不间断电源。

该实施方式的主电路仍由市电-蓄电池供电电路模块组成。市电的限压与蓄电池组直流电压的“削”波整形主要利用脉宽调制组件SG3524来完成。SG3524组件内部由5V基准电压稳压块、锯齿波振荡器、误差运算放大器、控制放大器及功率驱动电路组成。SG3524的两个输出端12、13脚分别输出相差180的两路脉宽调制波。而SG3524的1、2脚是该组件内部误差运算放大器的输入端，由SG3524组件的工作原理可知：只要改变误差放大器的输入电压，就可以方便地改变该组件的输出电压脉冲的宽度。该“削”波整形电路的主要联接关系是：基准正弦波经桥式整流电路B₂整流后输出的基准正弦脉冲波，经电阻R₅、R₆、R₇、R₈分压后，接到SG3524的2脚，“削”波电路输出经R₉、R₁₀、R₁₁、R₈分压后的反馈电压接到SG3524的1脚。组件的6脚接电阻R₁₂、7脚接电容C₂与组件内部的锯齿波振荡器共同完成定时功能。SG3524的输出12脚接晶体管BG₇的基极，BG₇的发射极接硅二极管D₂的正极，若调试电路时需要，还可串接另一硅二极管D₃，否则，D₂的负极接-5V电源。BG₇的集电极接复合晶体管BG₉的基极，BG₉的集电极驱动变压器BT₃，SG3524的另一路输出13脚接晶体管BG₈的基极，BG₈与BG₇的发射极联在一起，共同串接一支或两支硅二极管D₂或D₃后联接到-5V电源。实践表明：如果没有这一支或两支硅二极管，BG₇、BG₈两支晶体管不可能可靠截止，这样会使脉宽变窄，甚至等于0。因此无法实现对Gc“削”波管的0～100％的驱动。增加硅二极管D₂、D₃就保证了SG3524的12、13脚所驱动的BG₇、BG₈有可靠截止的反偏电压。BG₈的集电极接复合晶体管BG₁₀的基极，BG₁₀的集电极推动变压器BT₂，两路推动变压器BT₂、BT₃的次级并接组合在一起，完成对削波大功率管Gc的驱动。因为对Gc的推动脉冲波的脉宽最小为0，最宽要到使Gc100％导通。对这样的要求单边推动变压器是无法实现的，单边推动变压器的脉宽最大输出范围为0～50％。两路相差半个周期的脉宽输出波，组合在一起，当脉宽达到50％时，正好组合成完全导通的驱动电压。当市电电压高于220V时，单路最大脉宽达不到50％，可通过适当的截止时间以实现对市电的限压，当市电电压不足220V时，单路脉宽最大为50％，这时Gc管完全导通，无“削”波作用。SG3524的16脚通过R₁₃联接到D₂的正极与BG₇、BG₈的发射极之间，目的是向D₂、D₃提供一固定电流，以保证BG₇、BG₈发射极电压恒定。采用这种高频脉宽调制法完成的蓄电池组直流电压“削”波整形，是在充分发挥IC器件SG3524特性的基础上完成的。

当然，在具体的电路处理时，本实用新型并不局限于上述的电路联接方式。若有其它联接形式的电路可使市电正弦波与逆变电压正弦波同相叠加；“削”蓄电池直流电压为正弦沿梯形波均应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1、一种在线式不间断电源，主要由市电限压电路、同相控制器电路、市电-蓄电池供电电路模块、基准波发生器电路、逆变器稳压电路、逆变调制器电路、正弦沿梯形波整形电路及交流还原电路组成，其特征在于：

[A]、所述的市电-蓄电池供电电路模块包括一个市电输入端受一同相控制器电路控制的桥式整流电路B₁、二极管D₁、蓄电池组BAT、滤波电容C₁；二极管D₁的正极与蓄电池组BAT的正极串联相接，二极管D₁的负极、蓄电池组BAT的负极分别联接桥式整流器的两个输出端、与C₁并联，当市电供给时，同相控制器自动改变基准正弦波的频率使之与市电同频同相，市电电压正弦波与逆变电压正弦波同相叠加；

[B]、所述的同相控制器电路包括一个具有输出端7、输出端13的74LS191，还包括一个具有输入端A、B，输出端Q的单稳电路74LS123，它们之同的主要联接关系是：74LS191的13脚接74LS123的输入端A，74LS191的13脚在一个周期开始前的处，发出负脉冲信号，本电路用该负脉冲的下跳沿触发74LS123单稳电路，可在74LS123的Q端得到一脉宽为周期的正弦脉冲序列S2，74LS191的7脚输出50HZ方波脉冲S1；

[C]、所述的正弦沿梯形波整形电路由梯形波线性模拟电路和峰顶强推动电路组成，梯形波线性模拟电路主要由基准正弦波桥式整流电路B₂、变压器BT₁晶体管BG₂、BG₃、及复合晶体管BG₄、附加电源VB组成，它们的主要联接关系是：由同频同相电路得到的基准正弦波输入至变压器BT₁初级，BT₁次级接到基准正弦波桥式整流器B₂的输入端，桥式整流输出的负端通过可调电阻RW接晶体管BG₂的基极，正端接比较器L的正端，附加电源VB通过BG₂的集电极电阻接BG₂的集电极，BG₂的集电极接BG₃的基极，BG₃的发射极接复合管BG₄的基极，BG₃与BG₄集电极并接在一起，接到蓄电池组的正极，在复合管BG₄的发射极得到“削”波输出；峰顶强推动开关电路主要包括比较器L、晶体管BG₆、光电耦合放大器OPT和晶体管BG₅，它们之间主要的联接关系是：蓄电池电压经电阻R₂与R₁分压的分压点接比较器L的负端，比较器的正端接桥式整流器的正端，比较器的输出接BG₆的基极，一正电源Va接光电耦合放大器OPT的二极管端正极，二极管负端通过电阻R₃接晶体管BG₆集电极，光电耦放大器OPT的输出通过电阻R₄接晶体管BG₅的基极，BG₅的发射极接线性模拟电路复合晶体管BG₄的基极，当比较器的正端输入电平高于比较器负端电平时，相当于基准正弦波瞬时电平超过事先设定的峰顶电压电平，这时，基准正弦波处于峰顶状态，比较器有输出，光电耦合放大器OPT导通，推动线性模拟电路的复合晶体管BG₄，这样就增强了输出的峰顶负载能力。

2、一种在线式不同断电源，主要由同相控制器电路、市电-蓄电池供电电路模块、基准波发生器电路、逆变稳压电路、逆变调制器电路、高频脉宽调制电路及交流还原电路组成，其特征在于：

[A]、所述的市电-蓄电池供电电模块包括一个市电输入端受一同相控制器电路控制的桥式整流电路B₁、二极管D₁、蓄电池组BAT、滤波电容C₁；二极管D₁的正极与蓄电池组BAT的正极串联相接，二极管D₁的负极、蓄电池组BAT的负极分别联接桥式整流器的两个输出端、与C₁并联，当市电供给时，同相控制器自动改变基准正弦波的颇率使之与市电同颇同相，市电电压正弦波与逆变电压正弦波同相叠加；

[B]、所述的高频脉宽调制电路市电的限压与蓄电池组直流电压的“削”波整形主要利用脉宽调制组件SG3524来完成，该“削”波整形电路的主要联接关系是：基准正弦波经桥式整流电路B₂整流后输出的基准正弦脉冲波，经电阻R₅、R₆、R₇、R₈分压后，接到SG3524的2脚，“削”波电路输出经R₉、R₁₀、R₁₁、R₈分压后的反馈电压接到SG3524的1脚，SG3524的输出12脚接晶体管BG₇的基极，BG₇的集电极接复合晶体管BG₉的基极，BG₉的集电极驱动变压器BT₃，SG3524的另一路输出13脚接晶体管BG₈的基极，BG₈与BG₉的发射极联在一起，共同串接一支或两支硅二极管D₂或D₃后联接到-5V电源，BG₈的集电极接复合晶体管BG₁₀的基极，BG₁₀的集电极推动变压器BT₂，两路推动变压器BT₂、BT₃的次级并接组合在一起，完成对削波大功率管Gc的驱动。