節能型電源的製作方法
2023-12-02 22:19:41
專利名稱：節能型電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源。
背景技術：
中國專利曾公開一種「節能全自動逆變電源」(CN2110944U，公告日1992年7月22日)，它在逆變電路中增設由可調電阻、充電控制集成塊、繼電器、電阻、充電整流二極體、二個電解電容器構成的自動控制電路，用於無電場合。目前，市面上有很多種電源，在今年電力緊張的情況下，各種應急電源更是種類繁多；現有技術考慮的多是波形的失真度，用過流報警、過壓報警等方式被動地應付負載的突變，但是沒有考慮到節能的重要。在停電時使用備用電源時，節能顯得十分重要。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種節能型電源，它能在市內、居家、商業、電器、工業等多種用電環境中減少用電浪費，保護用電設備，延長一次充電使用時間和電源使用壽命。
為達到上述目的，本發明採取的解決方案是，一種節能型電源，包括蓄電池、充電電路、控制電源及基準電壓電路、檢測電路、控制電路、切換電路、逆變電路、正弦波生成電路、振蕩電路、CPU、逆變變壓器，補償與優化電路，在正弦波生成電路和切換電路後接補償與優化電路，當在二相中使用時，該補償與優化電路由兩個補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置由兩個瓷片電容、一個安規電容、一個電感、一個單向可控矽、三個電阻、一個指示燈和一個壓敏電阻組成，兩個瓷片電容串接，三個電阻串接，壓敏電阻、上端瓷片電容、安規電容、電感、上端電阻和中端電阻的中點接零線，壓敏電阻另一頭、下端瓷片電容、安規電容另一端、單向可控矽的輸出端、下端電阻、指示燈陰極接火線，電感另一端接單向可控矽的輸入端，單向可控矽的控制極接中端電阻與下端電阻的中點，上端電阻另一端接指示燈陽極，兩個補償與優化裝置的電路形式對稱，數值不同，形成強弱互克的互補電路。
指示燈為發光二極體，不僅有指示作用還有穩壓箍位的作用。
如果在三相中使用，則該補償與優化電路由三個一樣的補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置的電路零線接在一起。
補償與優化電路是該電源設備不同於其它電源設備所特有的電路。設置該電路，具有穩定供電電壓、過濾瞬變浪湧、降低線路溫度、減少用電浪費的作用，使電流相對平衡，保護用電設備，達到了相當可觀的節電效果。該電源在現有技術的基礎上增加了補償與優化電路，該電路的功能是補償與優化最終輸出，自動地檢測電流與電壓相位差，採用軟開關和電容元件來調節和緩衝突變的電壓，用兩個大電感來消除高次諧波，並與上一端的電感輸入形成拓撲關係。進一步抑止浪湧，平衡電流，平穩供電，使輸出波形更加平滑，失真度更小。
在補償與優化電路中，瓷片電容和安規電容都有都有儲存能量的作用，它通過吸收與釋放能量來穩定電壓，電感可以阻止電流迅速的變化。這樣一來，突如其來的大電流就會被緩衝、平滑，單向可控矽為控制高電壓的開關器件，通過上端電阻和中端電阻的中間電壓，可以控制單向可控矽的開關及開關時刻，從而控制較大的電路電壓，使輸出電壓穩定。並且這些瞬態的高電壓，大電流所帶來的能量並不會被簡單的消耗掉，而是被充到電容中，並在電壓變低時釋放出來，並被合理利用，從而能節約電能，達到穩壓、節能的目的。
四
圖1是本實施例的原理框圖。
圖2是本實施例中的正弦波生成電路及補償與優化電路圖。
圖3是本實施例中的控制電源及基準電壓電路圖。
圖4是本實施例中的逆變電路圖。
五具體實施例方式
下面結合實施例及其附圖對本發明再作描述。
參見圖1和圖2，一種節能型電源，包括蓄電池、充電電路、控制電源及基準電壓電路、檢測電路、控制電路、切換電路、逆變電路、正弦波生成電路、振蕩電路、CPU、逆變變壓器，補償與優化電路，在正弦波生成電路和切換電路後接補償與優化電路，當在二相中使用時，該補償與優化電路由兩個補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置由兩個瓷片電容C17、C18或C19、C20、一個安規電容C16或C18、一個電感L2或L3、一個單向可控矽SCR1或SCR2、三個電阻R29、R25、R26或R′28、R27、R28、一個指示燈和一個壓敏電阻RV組成，兩個瓷片電容C17、C18或C19、C20串接，三個電阻R29、R25、R26或R′28、R27、R28串接，壓敏電阻RV、上端瓷片電容C17或C19、安規電容C16或C18、電感L2或L3、上端電阻R29或R′28和中端電阻R25或R27的中點接零線，壓敏電阻RV另一頭、下端瓷片電容C18或C20、安規電容C16或C18另一端、單向可控矽SCR1或SCR2的輸出端、下端電阻R26或R28、指示燈陰極接火線，電感L2或L3另一端接單向可控矽SCR1或SCR2的輸入端，單向可控矽SCR1或SCR2的控制極接中端電阻R25或R27與下端電阻R26或R28的中點，上端電阻R29或R′28另一端接指示燈陽極，兩個補償與優化裝置的電路形式對稱，數值不同，形成強弱互克的互補電路。
參見圖2，所述的正弦波生成電路主要由電感L1和電容C63組成，電感L1接逆變變壓器B3次級線圈一端，電容C63接逆變變壓器B3次級線圈另一端，該電路的輸出即為補償與優化電路的輸入。正弦波生成電路的功能是把一群SPWM較高電壓，較小電流的波形變換成等面積的正弦波，這一部分電路主要由一個大電感和大電容組成。結合功率設計和負載的大小，適當的選用電感量和電容量，在波形完美和價格策略中選取一平衡點。
參見圖2，所述的電感L2或L3與上一端的電感L1輸入成為拓撲關係，形成多層的防護補償與優化體系。
在本實施例中，檢測電路是離散的，在空間上並不能集中在一起，只是概念的集中，是分布在不同的電路中的小電路單元。它包括蓄電池電壓的檢測，市電電壓的檢測，逆變輸出電壓的檢測，及逆變輸出過載的檢測。眾多的檢測電路使節能型電源更穩定可靠的工作，進一步提高了節能電源的防護性能和安全性能。
在本實施例中，控制電路同樣是離散的，在空間上並不能集中在一起，只是概念的集中，它採用成熟的繼電器和二極體保護電路，採用不同與CPU控制電源(DC5V)的另一電源(DC12V)，避免在觸頭動作時微觀時間內的電平抖動，增加了CPU工作的可靠性，同時，也使繼電器獲得能量得到保證，從而保證了程序不受電源電平波動的幹擾。
在本實施例中，蓄電池為備用的DC12V或DC24V蓄電池，可按照具體的容量要求進行選用，CPU一般採用AT89C52，該晶片集成度高，性能優越，易於購買，價格低廉。振蕩電路採用12MHZ，這樣，CPU每個機器周期正好為1μs，便於控制和保證輸出頻率的準確度。CPU收集和測量狀態信號，並按程序對各種狀態進行處理，更主要的是要產生SPWM波，作為逆變信號進入逆變電路。
參見圖4，在逆變電路中，埠P5的1腳接MOSFET功率管Q2和MOSFET功率管Q3的基極，2腳通過電容C32和穩壓管Z2接MOSFET功率管Q2和MOSFET功率管Q3的源漏極，3腳接MOSFET功率管Q8和MOSFET功率管Q9的基極，5腳接MOSFET功率管Q6和MOSFET功率管Q7的基極，4腳和6腳通過電容C46和穩壓管Z4接MOSFET功率管Q6、MOSFET功率管Q7、MOSFET功率管Q8、MOSFET功率管Q9的源漏極，7腳接MOSFET功率管Q4和MOSFET功率管Q5的基極，8腳通過電容C37和穩壓管Z3接MOSFET功率管Q4和MOSFET功率管Q5的源漏極。
參見圖4，逆變電路是根據能量等效的原理用在半個周期N等份不同寬度的矩形波替代正弦波。而每份矩形波的寬度和與其對應的正弦波的面積成一基本相等的比例關係，由此計算出正弦波半個周期內所對應的矩形波的寬度，為便於讀取和快速調出，將這些矩形波的寬度，預先計算好存放在CPU的ROM中，在需要逆變時調出，分別在零電位上的半個周期和零電位下的半個周期交變地觸發上位和下位兩個(或兩組)大功率管，產生一群低電壓，大電流的SPWM波，形成逆變變壓器B3初級繞組的輸入端，逆變變壓器B3次級繞組的輸出為一群較高電壓，較小電流的SPWM波，該輸出是正弦波生成電路的輸入端。
好的振蕩電路是CPU工作穩定可靠的保證。本實施例採用石英晶振，不採用不穩定的RC振蕩電路或陶瓷振蕩器，以保證每個周期的時間一致。由於AT89C52能夠工作的頻率很高，本電路中採用12M的晶振，這樣，CPU的每各指令周期多為1μs，每個工頻周期內，即20ms內有20000個指令可以運行，這樣就保證了有寬裕的運算時間來保證輸出SPWM波的精度。
切換電路是指在開機的狀態下，當市電發生變化時，逆變電路自動工作，當市電正常時，逆變電路自動停止，由市電工作的一組切換裝置。
在本實施例中，充電電路包括充電電路的控制電路和蓄電池的電壓檢測電路，當CPU發覺需要充電，且得到市電電壓滿足充電要求時，CPU發出充電信號，充電變壓器經過整流形成直流電，再經過一穩壓電路，形成一恆壓源，恆壓源再通過一大功率電阻對蓄電池進行充電，當蓄電池電平低時，該電阻兩端壓差大，電流就大，當充電一段時間後，蓄電池電平逐漸變高時，電流同步減小，進而達到自動調節充電電流的目的。
參見圖3，控制電源及基準電壓電路主要完成各電路的電源工作，有DC5V，DC12V，及隨機調整的基準電壓，供各比較器做電壓基準用，主要有變壓器，整流或精密整流單元組成，如用精密整流則需用運放來完成整流任務。電壓基準則多在整流穩壓的基礎上採用電阻分壓原理獲得基準電壓。
冷卻系統是可選用的裝置，在大功率的情況下，散熱是設備安全工作的很重要的保證，小功率的設備也可不用冷卻系統，但是必須通過苛刻的溫升測試。當逆變電路開始工作時，熱量主要來自大功率MOSFET功率管Q2～Q9和逆變器變壓器B3，這時候冷卻風扇開動，平時，雖然部分電路工作，但由於產生的熱量很少，不必開動冷卻風扇，實現動態的冷卻。
使用時，將該節能型電源的輸入端接市電，輸出端接用電器並打開總開關，即開始工作。其工作原理簡述如下。
一種情況有市電。
當市電欠壓或過壓時，CPU給出信號提醒。當市電比較正常時(即使有小的缺陷，電源內部可以補償和優化)，CPU檢測備用的蓄電池是否需要充電，當蓄電池電壓偏低時，CPU點亮充電指示燈並開始充電，CPU發出充電使能信號，充電變壓器經過整流形成直流電，再經過一穩壓電路，形成一恆壓源，恆壓源再通過一大功率電阻對蓄電池進行充電，當蓄電池電平低時，該電阻兩端壓差大，電流就大，當充電一段時間後，蓄電池電平逐漸變高時，電流同步減小，進而自動調節充電電流。充電一開始用較大的電流，當即將充滿時再改用較小的涓涓細流。如果蓄電池電量充足，CPU不做充電行為，直接進入「市電一輸出」，切變電路工作狀態。
此時，CPU通過切變電路將市電接入補償與優化電路之前，補償與優化電路開始工作，它開始自動地檢測電流與電壓相位差，並補償電流和相位差，壓敏電阻RV對突變的電壓進行緩和，還有軟開關和電容元件來調節和緩衝突變的電壓，用兩個大電感L2、L3來消除高次諧波，和上一端的電感L1輸入成為拓撲關係，形成多層的防護補償與優化體系，進一步抑止浪湧，平衡電流，平穩供電，使輸出波形更加平滑，失真度更小。
如果此時市電超過本發明的調節範圍輸入的電壓大於270V或低與180V時，抑或負載過大，檢測電路將檢測到這些異常信號，通過控制電路，驅動各相關繼電器動作，同時，CPU將做出故障指示，進入自動保護狀態。
另一種情況停電或在野外作業時。
開啟電源，首先CPU檢測市電，發現市電不可用，「市電一輸出」切變電路工作，將市電輸入與補償與優化電路之間的直通斷開。此時，轉入逆變工作準備狀態檢測備用的蓄電池是否能夠繼續放電，蓄電池電壓檢測電路將給CPU一個明確的信號，CPU根據信號做出判斷蓄電池電力不足時用指示燈提示電力不足；蓄電池電力充足時CPU才可以輸出逆變信號。
工作一開始，CPU首先初始化各項參數，獲得外界數據，所有的外界條件滿足時，CPU開始從ROM中調用預先計算好的數據，一位一位的讀出，每讀出一位埠保持1μs的時間，這樣，由0和1間或組成一系列的SPWM波，為使電路更加穩定，本電路結構採用多個埠同時驅動一個(組)MOSFET功率管Q2～Q9，MOSFET功率管Q2～Q9保持時幾乎不需要電流，但是在上升和下降沿的一瞬間對電流是有要求的，多個埠同時驅動可以是瞬態響應更快，從而使SPWM波可以做到很高的頻率。而頻率越高，則正弦波生成電路輸出矢真度越小。
此時，冷卻系統開始工作，平衡MOSFET功率管Q2～Q9和逆變變壓器B3的溫升。減小溫漂帶來的異常，保證器件功能的正常發揮。
為了散熱及分擔工作負擔，每半個周期CPU只讓一個(組)MOSFET功率管Q2～Q9工作，而此時另一組可以冷卻和休息，這樣的設計能更好的發揮MOSFET功率管的作用，通過技術上的輪班，既降低了對器件的要求，降低了器件的價格，又增加了穩定性，使本設備工作更加可靠。
MOSFET功率管Q2～Q9在源漏極間產生和控制極波形一致的SPWM波，由一系列寬度不同的矩形波形成，這些矩形波形成關於時間的積分和正弦波非常近似，實際上由於電網的本身的多種諧波等，從積分圖象來看，它甚至更好。當它高頻地通過特製的逆變變壓器時，並經過第一個電感時，優美的波形便顯示在大家的面前，到這裡，電源的任務已經完成。
電流在補償與優化電路中被進一步完善。出人意料的過大負載，線路被莫名的短接，電流就會在瞬間急劇增加，此刻電感將立即緩衝與阻止電流的劇增，如果短時間內還沒有解除這種非正常的狀態，檢測電路將檢測的這一信號報告CPU，CPU再通過控制電路立即切斷負載，並點亮過載信號燈，提醒使用者負載超過範圍。
如果負載並沒有超過範圍，但是用了非純阻性的負載，無功功率增加，補償與優化電路自動檢測到電流與電壓相位差，採用軟開關、電感和電容元件來調節電流與電壓相位差，減小無功功率的浪費。
這時候，設備有平滑的波形輸出，因相位得到了補償，減少用電浪費，降低開支；諧波被濾除，浪湧被抑制，保護了用電設備和電源本身。
權利要求
1.一種節能型電源，包括蓄電池、充電電路、控制電源及基準電壓電路、檢測電路、控制電路、切換電路、逆變電路、正弦波生成電路、振蕩電路、CPU、逆變變壓器，補償與優化電路，其特徵在於在正弦波生成電路和切換電路後接補償與優化電路，當在二相中使用時，該補償與優化電路由兩個補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置由兩個瓷片電容(C17)、(C18)或(C19)、(C20)、一個安規電容(C16)或(C18)、一個電感(L2)或(L3)、一個單向可控矽(SCR1)或(SCR2)、三個電阻(R29)、(R25)、(R26)或(R′28)、(R27)、(R28)、一個指示燈和一個壓敏電阻(RV)組成，兩個瓷片電容(C17)、(C18)或(C19)、(C20)串接，三個電阻(R29)、(R25)、(R26)或(R′28)、(R27)、(R28)串接，壓敏電阻(RV)、上端瓷片電容(C17)或(C19)、安規電容(C16)或(C18)、電感(L2)或(L3)、上端電阻(R29)或(R′28)和中端電阻(R25)或(R27)的中點接零線，壓敏電阻(RV)另一頭、下端瓷片電容(C18)或(C20)、安規電容(C16)或(C18)另一端、單向可控矽(SCR1)或(SCR2)的輸出端、下端電阻(R26)或(R28)、指示燈陰極接火線，電感(L2)或(L3)另一端接單向可控矽(SCR1)或(SCR2)的輸入端，單向可控矽(SCR1)或(SCR2)的控制極接中端電阻(R25)或(R27)與下端電阻(R26)或(R28)的中點，上端電阻(R29)或(R′28)另一端接指示燈陽極，兩個補償與優化裝置的電路形式對稱，數值不同，形成強弱互克的互補電路。
2.根據權利要求1所述的一種節能型電源，其特徵在於在三相中使用，所述的補償與優化電路由三個一樣的補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置的電路零線接在一起。
3.根據權利要求1所述的一種節能型電源，其特徵在於所述的正弦波生成電路主要由電感(L1)和電容(C63)組成，電感(L1)接逆變變壓器(B3)次級線圈一端，電容(C63)接逆變變壓器(B3)次級線圈另一端。
4.根據權利要求1或3所述的一種節能型電源，其特徵在於所述的電感(L2)或(L3)與上一端的電感(L1)輸入成為拓撲關係，形成多層的防護補償與優化體系。
5.根據權利要求1所述的一種節能型電源，其特徵在於在逆變電路中，埠(P5)的1腳接MOSFET功率管(Q2)和MOSFET功率管(Q3)的基極，2腳通過電容(C32)和穩壓管(Z2)接MOSFET功率管(Q2)和MOSFET功率管(Q3)的源漏極，3腳接MOSFET功率管(Q8)和MOSFET功率管(Q9)的基極，5腳接MOSFET功率管(Q6)和MOSFET功率管(Q7)的基極，4腳和6腳通過電容(C46)和穩壓管(Z4)接MOSFET功率管(Q6)、MOSFET功率管(Q7)、MOSFET功率管(Q8)、MOSFET功率管(Q9)的源漏極，7腳接MOSFET功率管(Q4)和MOSFET功率管(Q5)的基極，8腳通過電容(C37)和穩壓管(Z3)接MOSFET功率管(Q4)和MOSFET功率管(Q5)的源漏極。
全文摘要
一種節能型電源，包括蓄電池、充電電路、控制電源及基準電壓電路、檢測電路、控制電路、切換電路、逆變電路、正弦波生成電路、振蕩電路、CPU、逆變變壓器，補償與優化電路，在正弦波生成電路和切換電路後接補償與優化電路，當在二相中使用時，該補償與優化電路由兩個補償與優化裝置組成，每個補償與優化裝置由兩個瓷片電容、一個安規電容、一個電感、一個單向可控矽、三個電阻、一個指示燈和一個壓敏電阻組成，兩個補償與優化裝置的電路形式對稱，數值不同，形成強弱互克的互補電路。它能在市內、居家、商業、電器、工業等多種用電環境中減少用電浪費，保護用電設備，延長一次充電使用時間和電源使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK1599193SQ20041005535
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月28日 優先權日2004年8月28日
發明者周熙文, 祁華琦 申請人:周熙文