CN2558134Y

CN2558134Y - 交直流不间断电源

Info

Publication number: CN2558134Y
Application number: CN 01250240
Authority: CN
Inventors: 郁百超
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2011-08-01

Abstract

本实用新型是一种交直流不间断电源，市电的零线和蓄电池的负极接到一起。在市电正常时，将市电直接馈送到用户设备，同时对蓄电池充电；在市电中断，或超过预先设定的安全范围时，自动切换至蓄电池供电。切换采用静态开关，动作时间小于40微秒。整机无功率器件，在保持传统不间断电源所有必要特征的同时，成本、体积、重量、功耗均为相同功率传统不间断电源的千分之一。

Description

交直流不间断电源

本实用新型是一种交直流不间断电源。

不间断电源有两种模式：传统模式不间断电源，有逆变器，输出交流电压；现代模式不间断电源，无逆变器，输出直流电压。无逆变器不间断电源(专利号：97241194)、无功耗不间断电源(专利号：00114301)、绿色不间断电源(专利号：00116067)和内置式不间断电源(专利号：00131233)等，都属现代模式不间断电源。

如果把不间断电源用其提供给用户设备的电压为特征进行分类的话，则传统模式不间断电源是交流不间断电源，而现代模式不间断电源是直流不间断电源。传统模式不间断电源太大太笨，生产、设计、运行、维护都十分困难。现代模式不间断电源具有与传统模式不间断电源完全相同的外部特征，而各项性能均大大超过。

与传统不间断电源相比，无逆变器不间断电源的成本、体积、重量、功耗均减少了90％；与无逆变器不间断电源相比，无功耗不间断电源的成本、体积、重量、功耗又减少了90％；与无功耗不间断电源相比，绿色不间断电源对电网的谐波污染从95.6％减少到3％以下，而功率因数从68％提高到99.9％以上；与绿色不间断电源相比，内置式不间断电源成本、体积、重量、功耗又减少了50％以上，并大大提高了系统运行的稳定性。

无论是传统模式不间断电源，还是现代模式不间断电源，都必须带有两路静态旁路开关，以便在不间断电源本身出现故障时，切换到交流市电供电，在故障排除后切换到不间断电源供电，如图1所示。

传统模式不间断电源或现代模式不间断电源在一路电压切断，另一路电压接入的瞬变过程中，两路电压差的瞬时值，会在接入旁路电路和逆变器电路之间产生环流。因为UPS什么时候坏，完全是随机的，切换时两路电压差的瞬时值可能达到交流电压瞬时值的两倍，单相时为600-800V，其波形关于X轴为对称，请参见图2。由于交流市电和不间断电源两者的内阻都很小，因此产生的环流极大，其破坏性也极大。为了避免这种灾难性的后果，传统不间断电源输出的交流电压必须时时刻刻与交流市电保持同频率，同相位，同幅度，其电路的复杂可想而知。旁路开关的切换有同步切换和非同步切换两种方式，典型的切换时间分别是10毫秒(两路静态开关)和0.2-0.8秒(一路静态开关)，在既无交流市电供电，又无逆变器供电的情况下，至少有10毫秒的时间，用户设备仅仅依靠接在滤波器后面的电解电容提供电能，这无疑对系统的稳定和安全构成了严重的威胁。

现代模式不间断电源，同样面临着上述相同的问题，请参见图3。图中，切换时两路电压瞬时值叠加后，同样有可能达到600-800V。

本实用新型的目的是为了解决上述两大难题，并进一步减少成本、体积、重量、功耗，进一步提高系统的稳定性和安全性，把不间断电源推向最后完美的境界。

本实用新型的目的是以下述方案实现的：有市电时，提供给用户设备的是交流电压，市电仃电时，提供给用户设备的是直流电压，也就是本实用新型的名称所表达的含义之所在：交直流不间断电源。说得直接一点就是：有市电时用静态开关把市电直接接到用户设备的输入端，同时对蓄电池进行充电；市电仃电时，用静态开关把蓄电池的直流电压接到用户设备的输入端。因为用的是静态开关，接入时间少于40微秒。同时，交流、直流两路电源四根进线有两根是共用的，在切换的瞬变过程中，两路电压峰峰值不会超过其中一路的最大值(请参考图4)，完全避免了瞬变过程中出现的灾难性后果。因此，交直流不间断电源有以下特点：

1.解决了不间断电源普遍存在的交流旁路的问题。

2.除两个静态开关外，没有任何功率器件，除触发控制电路外，没有任何其他元器件，元器件的数目减至最少，系统的可靠性和运行的安全性大大提高，同时使其成本、体积、重量、功耗均为相同容量传统不不间断电源的千分之一，。

图1是不间断电源静态开关接入方框图，

图2是传统不间断电源切换过程中出现的瞬变电压。

图3是现代模式不间断电源切换过程中出现的瞬变电压。

图4是交直流不间断电源切换过程中出现的瞬变电压。

图5是交直流不间断电源方框图，

图6是交直流不间断电源原理电路图，

图1-图3前面已有述及。

图5是本实用新型的框图，图中包括静态开关A、静态开关B、充电电路C和蓄电池E1，市电在正常时，经过静态开关A进入用户设备，同时通过充电电路C对蓄电池E1充电，市电仃电时，蓄电池电压经过静态开关B进入用户设备；市电只有火线接有静态开关A，蓄电池只有正极接有静态开关B，市电的零线和蓄电池的负极接到一起，整机不包括功率器件。

图6中的静态开关A由双向可控硅SCR1组成，光电耦合器件OPT3、OPT4和控制电路U2及其周围元件组成了SCR1的触发电路；OPT3发光管的阳极通过电阻R10接Vc3，其阴极通过电位器VR5接地，OPT3三极管的发射极通过电阻R9接地，其集电极接Vcc，U2-1接地，U2-3通过电容C2接地，U2-2通过电阻R11、U2-6通过电阻R12同时接OPT3三极管的发射极，U2-2通过电位器VR7、U2-6通过电位器VR6同时接地，U2-4、U2-8同时接Vcc；OPT4二极管的阳极通过电阻R16接U2-3，其阴极通过电位器VR8接D点，OPT4三极管的集电极通过电阻R19接Vc1，同时通过电解电容C4接D点，SCR1的T1接市电火线，OPT4三极管的发射极接三极管Q3的基极，同时通过电阻R15接D点，三极管Q3、Q4的集电极接OPT4三极管的集电极，Q3的发射极接Q4的基极，同时通过电阻R14接D点，Q4的发射极接SCR1的栅极，同时通过电阻R13接D点，SCR2的T2也接D点。当市电为设定的正常范围内的极大值时，调节VR5，使OPT3发光二极管内流过正常电流，通过三极管部份的放大作用，再调节VR6、VR7使加到U2-2、U2-6的电平都接近0.67Vcc，并保持U2-2的电平比U2-6的电平略小，例如小0.05Vcc。此时，U2-3输出高电平，调节VR8，使OPT4发光管流过正常电流，则Q3、Q4导通，于是SCR1也导通，市电加到输出端D点。这里，OPT3、OPT4将三种电压隔离；要检测的市电电压、U2的工作电压、SCR1阳极和阴极间的电压。当市电超过设定的正常范围时，U2-6的电平超过0.67Vcc，则U2-3输出低电平，流过OPT4发光管流的电流为零，Q3、Q4截止，于是SCR1也截止，市电加不到输出端D点。当市电回落到使U2-6的电平为0.67Vcc时，U2-3的输出仍保持零电平，只有当市电回落到使U2-6的电平小于0.67-0.05＝0.62Vcc时，U2-3才输出高电平，SCR1重新导通，恢复交流供电。U2-6和U2-2之间的电平差值，是缓冲区间，避免静态开关在接近市电正常范围的高端极限值时频繁动作。

图6的静态开关B由可控硅SCR2组成，光电耦合器件OPT1、OPT2和控制电路U1、或门U3、非门U4及其周围元件组成了SCR2的触发电路；OPT1发光管的阳极通过电阻R2接Vc3，其阴极通过电位器VR1接地，OPT1三极管的发射极通过电阻R1接地，其集电极接Vcc，U1-1接地，U1-3通过电容C1接地，U1-2通过电阻R3、U1-6通过电阻R4同时接OPT1三极管的发射极，U1-2通过电位器VR3、U1-6通过电位器VR2时接地，U1-4、U1-8同时接Vcc；OPT2二极管的阳极通过电阻R8接U3-3，其阴极通过电位器VR4接D点，OPT2三极管的集电极通过电阻R18接Vc2，同时通过电解电容C3接D点，SCR2的阳极接E1的正极，OPT2三极管的发射极接三极管Q1的基极，同时通过电阻R7接D点，三极管Q1、Q2的集电极接OPT2三极管的集电极，Q1的发射极接Q2的基极，同时通过电阻R6接D点，Q2的发射极接SCR2的栅极，同时通过电阻R5接D点，SCR2的阴极也接D点；U3-1接U1-3，U3-2接U4-2，U4-1接U2-3。当市电为设定的正常范围内的极小值时，调节VR1，使OPT1发光二极管内流过正常电流，通过三极管部份的放大作用，再调节VR2、VR3使加到U1-2、U1-6的电平都接近0.33Vcc，并保持U1-2的电平比U1-6的电平略低，例如低0.05Vcc。此时，U1-3输出的低电平加到U3-1，同时，U2-3输出的高电平通过U4反相后加到U3-2，于是U3-3输出低电平，则流过OPT2发光管的电流为零，Q1、Q2截止，于是SCR2也截止，蓄电池的直流电压加不到输出端D点。当市电继续下降，使得U1-2的电平低于0.33Vcc时，U1-2输出高电平，此高电平通过或门U3、R8，使OPT2发光管流过正常电流，Q3、Q4导通，于是SCR2也导通，蓄电池的直流电压加到输出端D点。这里，OPT1、OPT2将三种电压隔离；要检测的市电电压、U1的工作电压、SCR2阳极和阴极间的电压。当市电继续上升到使U1-2的电平为0.33Vcc时，U1-3的输出仍保持高电平，只有当市电上升到使U1-6的电平大于0.33+0.05＝0.38Vcc时，U1-3才输出低电平，SCR2重新截止，切断蓄电池的直流电压。U1-6和U1-2之间的电平差值，是缓冲区间，避免静态开关在接近市电正常范围的低端极限值时频繁动作。当市电仃电时，相当于市电低于正常范围的低端极限值时的情形。

图6的充电电路C由电阻R17和二极管D1组成；市电的零线和蓄电池的负极接在一起，市电的火线通过R17和D1对E1进行充电；交流电压经过静态开关A接到输出端D点，当市电仃电或过高、过低时，蓄电池E1的直流电压经过静态开关B接到输出端D点；在市电过高时，还同时断开静态开关A。充电电流是幅值为市电峰值的半波脉动电流，在市电正常期间，由于静态开关B是断开的，蓄电池只充电，不放电，最后浮充到市电的峰值电压。

综上所述，当市电正常时，U2-3输出高电平，U1-3输出低电平，则U3-3输出低电平，使SCR1导通，SCR2裁止，市电加到输出端D点；当市电压超过正常范围时，U2-3输出低电平，U3-3输出高电平，使SCR2截止，SCR1导通，蓄电池的直流电压加到输出端D点；当市电低于正常范围时，U1-3输出高电平，SCR2导通，蓄电池的直流电压加到输出端D点。输出电压的正常范围，由VR6、VR3调节。由于微机机内的开关电源在20％的波动范围内能可靠工作，因此，可将20％设定为市电的正常范围，在这样的备件下，SCR1总是导通而SCR2一般不会导通，用户设备用的全部是交流电压，只有在市电断电、过低、过高的情况下，用户设备才使用蓄电池的直流电压，这种情况是极少发生的。

SCR1、SCR2栅极的的独立电源是Vc1、Vc2，它们的负极都接D点。Vc1、Vc2是市售12V小功率开关电源，Vc3是市电半波整流滤波后的检测电压。Vc3之所以应该是半波整流滤波后的电压，是因为以下原因：在市电仃电后，SCR2导通，当市电重新正常的时候，禁止在市电的负半周和其瞬时值小于220V时触发SCR1。当市电恢复的开始，如果是市电的负半周，则Vc3为零，SCR1不导通，如果是市电的正半周，则Vc3不为零，其电压值随市电的瞬时值的增加而上升，只有当Vc3的瞬时值增加到220V左右时，SCR1才导通，这时，市电的瞬时值已经大于220V，当SCR1导通时，和蓄电池的电压相差无几，不至于在蓄电池和交流市电之间形成环流，从而造成灾难性后果。当市电电压的瞬时值增加到大于蓄电池电压的时候，SCR2自动关断。Vc3的滤波时间常数可取得较小，以免在滤波电容上堆集多余的电荷。

Claims

1.一种交直流不间断电源，其特征在于：整个不间断电源仅包括静态开关A、静态开关B、充电电路C和蓄电池E1，市电在正常时，经过静态开关A进入用户设备，同时通过充电电路C对蓄电池E1充电，市电仃电时，蓄电池电压经过静态开关B进入用户设备；市电只有火线接有静态开关A，蓄电池只有正极接有静态开关B，市电的零线和蓄电池的负极接到一起，整机不包括功率器件。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：静态开关A由双向可控硅SCR1组成，光电耦合器件OPT3、OPT4和控制电路U2及其周围元件组成了SCR1的触发电路；OPT3发光管的阳极通过电阻R10接市电火线，其阴极通过电位器VR5接地，OPT3三极管的发射极通过电阻R9接地，其集电极接Vcc，U2-1接地，U2-3通过电容C2接地，U2-2通过电阻R11、U2-6通过电阻R12同时接OPT3三极管的发射极，U2-2通过电位器VR7、U2-6通过电位器VR6同时接地，U2-4、U2-8同时接Vcc；OPT4二极管的阳极通过电阻R16接U2-3，其阴极通过电位器VR8接D点，OPT4三极管的集电极通过电阻R19接交流火线和SCR1的阳极，同时通过电解电容C4接D点，OPT4三极管的发射极接三极管Q3的基极，同时通过电阻R15接D点，三极管Q3、Q4的集电极接OPT三极管的集电极，Q3的发射极接Q4的基极，同时通过电阻R14接D点，Q4的发射极接SCR1的栅极，同时通过电阻R13接D点。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：静态开关B由可控硅SCR2组成，光电耦合器件OPT1、OPT2和控制电路U1、或门U3、非门U4及其周围元件组成了SCR2的触发电路；OPT1发光管的阳极通过电阻R2接交流火线，其阴极通过电位器VR1接地，OPT1三极管的发射极通过电阻R1接地，其集电极接Vcc，U1-1接地，U1-3通过电容C1接地，U1-2通过电阻R3、U1-6通过电阻R4同时接OPT1三极管的发射极，U1-2通过电位器VR3、U1-6通过电位器VR2时接地，U1-4、U1-8同时接Vcc；OPT2二极管的阳极通过电阻R8接U3-3，其阴极通过电位器VR4接D点，OPT2三极管的集电极通过电阻R18接蓄电池正极和SCR2的阳极，同时通过电解电容C3接D点，OPT2三极管的发射极接三极管Q1的基极，同时通过电阻R7接D点，三极管Q1、Q2的集电极接OPT三极管的集电极，Q1的发射极接Q2的基极，同时通过电阻R6接D点，Q2的发射极接SCR2的栅极，同时通过电阻R5接D点；U3-1接U1-3，U3-2接U4-2，U4-1接U2-3。

4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：充电电路C由电阻R17和二极管D1组成；市电的零线和蓄电池的负极接在一起，市电的火线通过R17和D1对E1进行充电；交流电压经过静态开关A接到输出端D点，当市电仃电或过高、过低时，蓄电池E1的直流电压经过静态开关B接到输出端D点；在市电过高时，还同时断开静态开关A。