無觸點智能補償型超低功耗不間斷電源的製作方法

2023-10-24 06:38:57 3

專利名稱：無觸點智能補償型超低功耗不間斷電源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於不間斷電源。
技術背景UPS電源是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設 備。當市電正常輸入時，UPS就將市電穩壓後供給負載使用，同時對機內電池充電，把能量 儲存在電池中；當市電中斷(事故停電)或輸入故障時，UPS將機內電池的能量轉換為220V 交流電繼續供負載使用，使負載維持正常工作並保護負載軟、硬體不受損壞。日前市場上供 應的UPS電源設備種類較多，UPS按工作模式可分為後備式、在線式和互動式3大類。後備式UPS電源在市電正常供電時，市電通過交流旁路通道再經轉換開關直接向負載提供電源。 機內的逆變器處於停止工作狀態，這時的UPS電源實質上相當於一臺性能較差的市電穩壓 器。它除了對市電電壓的幅度波動有所改善外，對電壓的頻率不穩、波形畸變以及從電網侵 入的幹擾等不良影響基本上沒有任何改善。只有當市電供電中斷或低於逆變啟動電壓時， 蓄電池才對UPS逆變器供電，並向負載提供穩壓、穩額的方波交流電源。後備式UPS具有電 路簡單、成本低、可靠性高、效率高的優點，但是其輸出電壓穩定精度差，由市電轉逆工作時 會有一段轉換時間，一般不大於10ms。另外受切換電流和動作時間的限制，輸出功率一般較 小，一般後備式正弦波輸出UPS，容量在2kVA以下，後備式方波輸出UPS容量在IkvA以下。在線式UPS電源在市電正常供電時，它首先將市電交流電源經整流變成直流電源，然後進行脈寬 調製、濾波，再將直流電經逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷， 立即改由蓄電池提供的直流電經逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此，對在線式UPS 電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆變器對負載供電，這樣就 避免了所有由市電電網電壓波動及幹擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電 質量明顯優於後備式UPS電源。因為它可以實現對負載的穩頻、穩壓供電，而且在由市電 供電轉換到蓄電池供電時，其轉換時間為零。真正給用戶提供優質的穩壓、穩頻的純淨正弦 波電源，從而提供符合網絡系統需要的電源保護。但是由於在線式UPS開機後逆變器始終 處於工作狀態，因此存在著較大的開關器件損耗，目前在線式UPS的效率最高為85-94%左 右ο互動式UPS電源互動式UPS電源也被稱為3埠式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的 角度來考慮，其變壓器存在3個能量流動的埠 埠 1連接市電輸入；埠 2通過雙向變 換器與蓄電池相連；埠 3輸出。市電供電時，交流電經埠 1流入變壓器，在穩壓電路的 控制下選擇合適的變壓器抽頭接入，同時在埠 2的雙向變換器的作用下藉助蓄電池的能 量轉換共同調節埠 3上的輸出電壓，以此來達到比較好的穩壓效果；市電掉電時，蓄電池 通過雙向變換器經埠 2給變壓器供電，維持埠 3上的交流輸出。互動式UPS電源在變壓器抽頭切換的過程中，雙向變換器作為逆變器方式工作。蓄電池供電，因此能實現輸出電 壓的不間斷，同樣在由市電供電到電池供電的切換過程中也能做到沒有轉換時間。互動式 UPS電源的電路實現簡單，沒有單獨的充電器，帶來的是生產成本的降低和可靠性的提高。 這類產品在市電供電工作時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換，使整機效率有所提高。互動式 UPS很好地結合了後備式UPS和在線式UPS的許多優點，是一種很不錯的變換形式。但是由 於它使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問題。智能型UPS是當今UPS的一大發展趨勢，隨著UPS在網絡系統上應用，網絡管理者 強調整個網絡系統為保護對象，希望整個網絡系統在供電系統出現故障時，仍然可以繼續 工作而不中斷。因此UPS內部配置微處理器使之智能化是UPS的新趨勢，UPS內部硬體與 軟體的結合，大幅度提高了 UPS的功能，可以監控UPS的運行工作狀態，如UPS輸出電壓頻 率，電網電壓頻率、電池狀態以及故障記錄等。還可以通過軟體對電池進行檢測、自動放電 充電，以及遙控開關機等。網絡管理者就可以根據信息資料分析供電質量，依據實際情況 採取相應的措施。當UPS檢測出供電電網中斷時，UPS自動切換到電池供電，在電池供電能 力不足時立即通知伺服器做關機的準備工作並在電池耗盡前自行關機。智能型UPS通過接 口與計算機進行通訊，從而使網絡管理員能夠監控UPS，因此其管理軟體的功能就顯得極其 重要。
發明內容為了克服現有的不間斷電源存在的效率低、容量小、體積大而且市電與逆變的切 換需要一定的時間的不足，本實用新型設計出一種高精度、大容量、長壽命以及高集成度的 調壓淨化模塊，從而設計出一種效率很高、體積很小並且實現了市電與逆變的不間斷切換 的智能型高效節能不間斷電源(UPS-HPR)。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是市電經過輸入開關進入高精度 智能調壓模塊，通過智能網絡控制器控制STS靜態開關選通市電輸出迴路，然後為負載提 供高精度穩定的正弦電壓波形；與此同時通過高精度智能調壓模塊輸出的穩定電壓，經過 雙向逆變器為電池進行浮充電。當市電異常時，由電池輸出直流電平經過雙向逆變器輸出 穩定、純淨的正弦波，並由智能網絡控制器控制STS靜態開關選通逆變輸出迴路，為負載提 供穩定交流電源；同時有智能網絡控制器關斷輸入開關，防止雙向逆變器向電網饋電。當市 電正常的時候，因為經過逆變器的能量只為電池充電，因此能量消耗很少，大部分能量直接 經過調壓模塊供給負載，使得效率比一般在線式UPS大幅度提高；當市電異常時，雖然啟動 了逆變器，但是因為省去了整流器的功率損耗，也大大提高了效率。同時，由於採用了 STS 靜態開關實現了由市電迴路向逆變迴路的無間斷切換。本高精度智能調壓模塊採用三個補償變壓器，將其次級串入到主迴路中，當市電 輸入電壓波動或負載變化時，通過真有效值轉換晶片LTC1966將交流電壓值直接轉換為直 流電壓值，然後經過精密放大器送入單片機進行採樣，單片機經過邏輯判斷通過達林頓陣 列ULN2003輸出高低電平用以控制多全橋切換電路中的相應晶閘管的通斷，實現補償變壓 器線圈的不同組合，從而對市電電壓的正、負波動值進行有級補償。當市電電壓大於標稱值 時進行負補償，當市電電壓低於標稱值時進行正補償。本實用新型的有益效果是，通過採用高精度智能調壓模塊，大幅度提高了不間斷電源的效率，達到了節能減排的社會效應，並且使用了雙向逆變器，使電路結構簡單，體積 減小。

圖1所示對UPS整體結構與工作原理的信息描述。圖2所示對智能調壓模塊的基本硬體結構與工作原理的信息描述。
具體實施方式
在圖1中，當市電100存在時，經過101輸入開關進入102智能調壓模塊，通過103 智能網絡控制器控制106STS靜態開關選通市電輸出迴路，為負載提供107高精度穩定的正 弦電壓波形；與此同時通過102輸出的穩定電壓，經過105雙向逆變器(當有市電時，逆變 方向為AC-DC，當市電異常時，逆變方向為DC-AC)為104電池進行浮充電。當市電100異常時，由104電池輸出直流電平經過105雙向逆變器輸出高精度、穩 定、純淨的正弦波，並由103智能網絡控制器控制106STS靜態開關選通逆變輸出迴路，為負 載提供穩定交流電源；同時有103關斷101輸入開關，防止105雙向逆變器向電網饋電。特點是當市電正常的時候，因為經過逆變器的能量只為電池充電，因此能量消耗 很少，大部分能量直接經過調壓模塊供給負載，使得效率比一般在線式UPS大幅度提高，可 達到98%左右。當市電異常時，雖然啟動了逆變器，但是因為105為雙向逆變器，省去了整 流器的功率損耗，也大大提高了效率，可達到94%以上，且市電正常的情況佔99%，使得整 體效率為99% *98% +1% *94%= 97. 96%。同時，由於採用了 106STS靜態開關實現了由 市電迴路向逆變迴路的超高速切換。 智能調壓模塊的特點是市電輸入200，經過201、202、203三個低損耗補償變壓器 跨接過3組12個大功率隨機關斷型固態繼電器，為負載提供穩定的交流正弦波。輸出電壓 經過高精度真有效值轉換晶片轉換為直流電平送入高速MCU進行電壓的檢測，通過與標準 市電值相比較，產生12路信號來控制12個固態繼電器的通斷，進而實現對輸出電壓不同等 級的正反補償。其中201線圈匝數比為5V-220V，輸出精度10/220 = 4. 5%,202線圈匝數 比為20V-220V、203線圈匝數比40V-220V，輸入的動態範圍為7(V220V = 32%。當輸入超 出範圍時，可以根據負載要求進行兩種選擇，一種是通過06STS靜態開關選通逆變輸出回 路，由逆變器輸出高質量的正弦波，另一種是通過減小輸出精度來提高輸入的動態範圍。兩 種方法都可以通過修改MCU中的邏輯程序米完成的，該種由軟體主控的方式不但減少了硬 件的複雜度使得整體系統更加穩定而且大大提高了各種邏輯功能的靈活性。軟體控制比例 的提升也體現了 UPS智能化的一種趨勢。
權利要求1.一種不間斷電源，其特徵是具有防饋電輸入開關以及高精度、高效率、低功耗、長壽 命智能電壓調節與淨化模塊構成的市電輸出迴路，具有高效率雙向逆變器以及超快速轉換時間、無環流的靜態轉換開關組成的電池浮衝 迴路和逆變輸出迴路。
2.根據權利要求1的不間斷電源，其特徵是採用大功率、隨機關斷型固態繼電器構成 無觸點智能電壓調節模塊。
3.根據權利要求1的不間斷電源，其特徵是採用多級補償變壓器提供高輸出精度，寬 輸入動態範圍電壓調節模塊。
4.根據權利要求1的不間斷電源，其特徵是採用高運算能力的MCU以及完善的邏輯程 序來代替大規模的老式硬體電路構成調壓系統。
5.根據權利要求1的不間斷電源，其特徵是採用高效率的雙向逆變器，當市電存在時 構成對電池的浮衝迴路；當市電異常時構成對負載的高質量、穩定逆變供電迴路。
6.根據權利要求1的不間斷電源，其特徵是採用超高速靜態切換開關來實現調壓迴路 與逆變迴路兩個獨立輸入源的不間斷、無環流、有序的切換。
專利摘要一種不間斷電源，其特徵是具有防饋電輸入開關以及高精度、高效率、低功耗、長壽命智能電壓調節與淨化模塊構成的市電輸出迴路，具有高效率雙向逆變器以及超快速轉換時間、無環流的靜態轉換開關組成的電池浮衝迴路和逆變輸出迴路，解決了傳統不間斷電源低效率、有轉換時間缺陷，為負載提供穩定純淨的電能。
文檔編號H02J9/06GK201854080SQ201020123690
公開日2011年6月1日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者臧安 申請人:天津市愛和德電源系統有限公司