CN101699702A - 多模式工作ups电源 - Google Patents
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Abstract
一种多模式工作UPS电源，包括市电输入、蓄电池、整流器、逆变器，旁路静态开关、逆变静态开关、MCU单片机控制电路、外部输入电路、外部输出电路，市电输入一路依次经整流器、逆变器、逆变静态开关至交流输出，另一路经旁路静态开关至交流输出，蓄电池连接在整流器输出端和逆变器输入端的连接点，MCU单片机控制电路输出旁路静态开关控制信号至旁路静态开关、输出逆变静态开关控制信号至逆变静态开关、输出逆变器控制信号至逆变器，输出工作状态数据信号至外部输出电路，输入市电输入采样信号、输入外部输入电路输入的信号。本发明克服现有UPS电源只有单一双变换在线工作模式的不足，提出一种具有多种工作模式的供电电源。
Description
技术领域：
本发明涉及一种供电电源，尤其是涉及一种多模式工作UPS电源。
背景技术：
常规中大功率UPS电源只有单一的双变换在线工作模式，整机效率一般只有85％左右，通常适应负载为计算机和一些精密设备，对电机之内的感性负载必须要放大7-10倍余量才能正常工作，没有变频启动等功能，对负载适应能力不强，自身耗电量高不节能。
发明内容：
本发明的目的就是克服现有UPS电源只有单一双变换在线工作模式的不足，提出一种具有多种工作模式的UPS供电电源。
为实现上述目的，本发明一种多模式工作UPS电源，包括市电输入、蓄电池、整流器、逆变器，旁路静态开关、逆变静态开关、MCU单片机控制电路、外部输入电路、外部输出电路，市电输入一路依次经整流器、逆变器、逆变静态开关至交流输出，另一路经旁路静态开关至交流输出，蓄电池连接在整流器输出端和逆变器输入端的连接点，MCU单片机控制电路输出旁路静态开关控制信号至旁路静态开关、输出逆变静态开关控制信号至逆变静态开关、输出逆变控制信号至逆变器，输出工作状态数据信号至外部输出电路，输入市电输入采样信号、输入外部输入电路输入的信号。
上述MCU单片机控制电路还可以输出整流控制信号至整流器，输入蓄电池采样信号、输入逆变采样信号、输入交流输出采样信号。
在一种实施方式中，上述MCU单片机控制电路包括主机MCU单片机控制电路和显示MCU单片机控制电路，主机MCU单片机控制电路经串行接口与显示MCU单片机控制电路传输数据，上述MCU单片机控制电路输出的旁路静态开关控制信号、逆变静态开关控制信号、逆变控制信号为主机MCU单片机控制电路输出，上述MCU单片机控制电路输入的市电输入采样信号为主机MCU单片机控制电路输入，上述MCU单片机控制电路输出的工作状态数据信号为显示MCU单片机控制电路输出，上述MCU单片机控制电路输入的外部输入电路输入信号为显示MCU单片机控制电路输入。主机MCU单片机控制电路还可以输出整流控制信号至整流器，输入蓄电池采样信号、输入逆变采样信号、输入交流输出采样信号。
上述外部输出电路可为显示电路或报警电路，上述外部输入电路可为按键电路，MCU单片机控制电路输出工作状态数据信号至显示电路显示或报警电路报警，输入按键电路输入的设置信号。
上述外部输出电路和外部输入电路可为串行接口，MCU单片机控制电路经串行接口连接后台监控。
本发明由于应用了MCU单片机控制电路，并设置了旁路静态开关和逆变静态开关，用户可以根据自己的负载情况，通过外部输入电路输入的信号设置本发明的工作模式。如计算机和精密设备负载，设置为在线双变换工作模式(UPS)；普通负载设备，设置为经济运行模式(ECO)；电机负载设备，设置为变频缓启动应急模式(EPS)。
本发明的特点是负载适应能力强、用途广泛、节能、电路性能稳定、成本低、工作模式设置转换方便、操作简单。
附图说明：
图1是本发明实施例的电路方框图；
图2是图1的主机MCU单片机控制电路控制的主电路原理图；
具体实施方式：
以下结合附图详述本发明的结构细节：
如图1所示，为本发明实施例的电路方框图，包括市电输入、蓄电池、整流器、逆变器，旁路静态开关、逆变静态开关、MCU单片机控制电路、外部输入电路和外部输出电路。MCU单片机控制电路包括主机MCU单片机控制电路和显示MCU单片机控制电路，主机MCU单片机控制电路经串行接口与显示MCU单片机控制电路传输数据，外部输出电路为显示电路和报警电路，外部输入电路为按键电路，外部输出电路和外部输入电路还可为RS232串行接口，连接后台监控。
市电输入一路依次经整流器、逆变器、逆变静态开关至交流输出，另一路经旁路静态开关至交流输出，蓄电池连接在整流器输出端和逆变器输入端的连接点。主机MCU单片机控制电路输出旁路静态开关控制信号至旁路静态开关，控制关断或开通旁路静态开关；输出逆变静态开关控制信号至逆变静态开关，控制关断或开通逆变静态开关；输出逆变控制信号至逆变器，控制逆变器关闭或逆变工作或变频缓启动逆变工作；输出整流控制信号至整流器，控制整流器关闭或整流工作；输入市电输入采样信号，判断市电输入正常否；输入蓄电池采样信号，判断蓄电池正常否；输入逆变采样信号，判断逆变器正常否；输入交流输出采样信号，判断交流输出正常否。显示MCU单片机控制电路输出工作状态数据信号至显示电路显示和报警电路报警，输入按键电路输入的设置信号。显示MCU单片机控制电路经RS232串行接口连接后台监控，发送工作状态数据信号至后台监控，接收后台监控的设置参数数据信号。
主机MCU单片机控制电路，通过对市电输入、交流输出、蓄电池等的采集，并通过串行通讯和显示MCU单片机控制电路进行通讯，按用户设置的模式进行工作。
显示MCU单片机控制电路，是分机对话的窗口，将主机MCU单片机控制电路的工作数据进行运算处理，然后控制显示电路的LED指示灯显示主机的工作状态，并通过报警电路的蜂鸣器报警，同时将所有的数据和状态通过显示电路的LCD液晶显示器显示；将主机的运行数据通过RS232串行接口和后台监控通讯；按键电路是用户对显示内容进行查询或参数设置。
整流器将市电的交流电转换成直流电，供蓄电池充电和逆变器工作电源。采用可控硅桥式整流器，通过控制可控硅的导通角调整输出电压。当电池低压时给电池充电，整流器工作在恒流模式，电池充满后工作在恒压状态。
逆变器则是将整流器输出的直流电或蓄电池的直流电转换成交流电输出。
旁路静态开关和逆变静态开关是旁路和逆变双电源转换的电子开关。
辅助电源则是供给电路的工作电源。
蓄电池则是后备能源。在市电异常时代替市电输入，提供后备供电。
如图2所示，为主机MCU单片机控制电路控制的主电路原理图，其中，SW1为电池开关，SW2为整流开关，SW3为旁路开关，SW4为输出开关。
当市电正常时，首先通过整流开关SW2、滤波电容C1、滤波电感L1滤后连接到整流器，整流器采用可控硅桥式整流器Q1，可控硅桥式整流器Q1将市电输入整流变换成直流电，经熔断器F1，总线电容C2滤波，给蓄电池充电，同时供给逆变器。当电池充满后恒定在浮充电压供给逆变器。主机MCU单片机输出的整流控制信号至可控硅桥式整流器Q1A、Q1B、Q1C、Q1D的可控硅栅极，通过调整可控硅Q1A、Q1B、Q1C、Q1D的导通角，调整整流电压。
蓄电池充电则是整流后的直流电压通过二极管D1给电池充电，充电电流通过HR1霍耳电流传感器进行测量，当电池低压时进入恒流充电模式，电池充满后则转为恒压模式。
电池逆变工作：蓄电池首先通过电池开关SW1，电池软启动限流电阻RS1给总线电容C2充电，当电容C2充满后，主机MCU单片机送出控制信号触发可控硅Q5导通，短路电池软启动限流电阻RS1，电池电流通过可控硅Q5供给逆变器。
逆变器采用IGBT逆变桥Q6(4单元H桥Q6A、Q6B、Q6C、Q6D)。当主机MCU单片机控制逆变器工作时，输出逆变控制信号SPWM驱动波，通过外部电路分成4路驱动信号至IGBT逆变桥Q6的栅极，通过IGBT逆变桥Q6开关斩波，逆变变压器T1耦合，并通过变压器的漏感和输出逆变滤波电容C3，滤出纯净的正弦交流电。
旁路静态开关Q4采用反向并联的可控硅Q4A、Q4B，逆变静态开关Q5采用反向并联的可控硅Q5A、Q5B，旁路静态开关Q4和逆变静态开关Q5是双电源转换开关，切换旁路和逆变两路交流电。当逆变输出时，主机MCU单片机发出逆变静态开关Q5的触发信号，也即输出逆变静态开关控制信号作用于反向并联可控硅Q5A、Q5B的栅极，触发反向并联可控硅Q5A、Q5B导通，逆变输出，同时发出旁路封锁信号，关闭旁路静态开关Q4，也即主机MCU单片机输出旁路静态开关控制信号作用于反向并联可控硅Q4A、Q4B的栅极，触发反向并联可控硅Q4A、Q4B截止。当控制旁路输出时，则控制旁路静态开关Q4导通，关闭逆变静态开关Q5。
输出互感器CT1是输出电流采样，用来对输出功率进行测量和保护。
主机MCU单片机控制电路和显示MCU单片机控制电路的MCU芯片均采用FREESCAL公司的MC9S08AW16。此单片机有10位A/D转换器，两个串行通讯口，2个定时器，有捕捉、比较和PWM功能。LQFP-G44/LQFP-G64的SMD封装，外围电路简单。
1.采用串行通信，主机MCU单片机和显示MCU单片机实现数据通信。
2.利用A/D转换器对输入输出电压、电流、电池电压、充电电流、温度进行采样测量。
3.利用MCU单片机的PWM功能，产生SPWM正弦脉宽调制信号，控制IGBT逆变桥启动。其它的口线实现对电路的各种控制。
本实施例的其余电路原理图，如按键、显示、报警电路等，是本领域技术人员通晓的知识，此处不多描述。
本发明的工作过程如下：
用户通过按键设置和显示器显示来查询或设置工作模式，也可以接收后台监控的设置参数数据信号来设置工作模式。
用户设置为在线双变换模式(UPS)：市电输入正常时，通过整流器进行整流，整流后分成两路输出，一路送到逆变器，通过逆变器转换成稳定的交流电压，另一路给蓄电池充电，电池充满后整流器处于浮充状态，即只有充电电压而没充电电流。主机MCU单片机控制关断旁路静态开关，开通逆变静态开关，逆变器转换成的交流电压经逆变静态开关输出。市电异常时，蓄电池电压经逆变器逆变成稳定的交流电压后通过逆变静态开关输出。当逆变器关闭或故障时，主机MCU单片机控制开通旁路静态开关。这种工作模式在市电正常时直接通过整流、逆变输出，零毫秒切换，输出电压稳压动态响应好，波形失真小。适用于对供电质量高，对切换时间要求特别短的负载。
用户设置为经济运行模式(ECO)：市电输入正常时，通过整流器进行整流，整流后分成两路输出，一路送到逆变器，通过逆变器转换成稳定的交流电压，另一路给蓄电池充电，电池充满后整流器处于浮充状态。此时主机MCU单片机会发出逆变控制信号SPWM驱动波至IGBT逆变桥的栅极，逆变器正常工作，同时主机MCU单片机发出旁路静态开关开通信号，逆变静态开关关断信号，输出端负载由旁路静态开关供电输出，逆变器处于逆变待机工作状态而不带负载。市电异常时，在主机MCU单片机的控制下快速关断旁路静态开关，开通逆变静态开关，切换到逆变器输出。这种工作模式在市电正常时直接通过旁路静态开关输出，不经过整流和逆变两级变换，整机的效率高达97％，比在线双变换模式(UPS)节能5％-10％的电量。
用户设置为变频缓启动应急模式(EPS)：市电输入正常时，通过整流器进行整流，整流后分成两路输出，一路送到逆变器，另一路给蓄电池充电，电池充满后整流器处于浮充状态。主机MCU单片机控制开通旁路静态开关，关断逆变静态开关，输出端负载由旁路静态开关供电输出，此时主机MCU单片机不会输出逆变控制信号SPWM驱动波，IGBT逆变桥的栅极没有驱动电压，逆变器不进行逆变工作，完全处于停止状态。当市电异常时，主机MCU单片机输出频率由窄到宽的SPWM驱动波，频率由10Hz到50Hz缓慢增加，而逆变器的逆变输出电压也由低到高增加，同时主机MCU单片机控制开通逆变静态开关，关闭旁路静态开关；负载转由逆变器逆变输出供电。这种工作模式在市电正常时直接通过旁路输出，不经过整流和逆变两级变换，整机的效率高，节能运行，但是逆变输出和旁路输出的切换时间长，不适应对切换时间有要求的设备；启动方式为变频缓启动，适用于对切换时间要求不高的动力性负载或启动冲击电流大的电机类负载，实现后备应急供电。整机的效率高达98％，比在线双变换模式(UPS)节能5％-10％的电量。
可见，用户能够根据自己的负载设备情况设置电源的工作模式，计算机和精密设备选择在线双变换工作模式(UPS)、普通负载设备选择经济运行模式(ECO)、电机负载设备选择变频缓启动应急模式(EPS)，负载适应能力强、用途广泛。ECO经济运行模式整机效率可达到97％，转换时间1.8毫秒，EPS变频缓启动应急模式可以按1∶1倍直接启动电动机，整机效率可达到98％，根据不同的负载选择不同的模式工作，可节能5％-10％，此电路性能稳定，成本低，操作简单。
Claims (10)
1.一种多模式工作UPS电源，包括市电输入、蓄电池、整流器、逆变器，其特征在于：还包括旁路静态开关、逆变静态开关、MCU单片机控制电路、外部输入电路、外部输出电路，市电输入一路依次经整流器、逆变器、逆变静态开关至交流输出，另一路经旁路静态开关至交流输出，蓄电池连接在整流器输出端和逆变器输入端的连接点，MCU单片机控制电路输出旁路静态开关控制信号至旁路静态开关、输出逆变静态开关控制信号至逆变静态开关、输出逆变控制信号至逆变器，输出工作状态数据信号至外部输出电路，输入市电输入采样信号、输入外部输入电路输入的信号。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：MCU单片机控制电路还输出整流控制信号至整流器，输入蓄电池采样信号、输入逆变采样信号、输入交流输出采样信号。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于：所述MCU单片机控制电路包括主机MCU单片机控制电路和显示MCU单片机控制电路，主机MCU单片机控制电路经串行接口与显示MCU单片机控制电路传输数据，所述MCU单片机控制电路输出的旁路静态开关控制信号、逆变静态开关控制信号、逆变控制信号为主机MCU单片机控制电路输出，所述MCU单片机控制电路输入的市电输入采样信号为主机MCU单片机控制电路输入，所述MCU单片机控制电路输出的工作状态数据信号为显示MCU单片机控制电路输出，所述MCU单片机控制电路输入的外部输入电路输入信号为显示MCU单片机控制电路输入。
4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于：所述主机MCU单片机控制电路还输出整流控制信号至整流器，输入蓄电池采样信号、输入逆变采样信号、输入交流输出采样信号。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电源，其特征在于：所述外部输出电路为显示电路或报警电路，所述外部输入电路为按键电路，MCU单片机控制电路输出工作状态数据信号至显示电路显示或报警电路报警，输入按键电路输入的设置信号。
6.根据权利要求1至4任一项所述的电源，其特征在于：所述外部输出电路和外部输入电路为串行接口，MCU单片机控制电路经串行接口连接后台监控。
7.根据权利要求3或4所述的电源，其特征在于：所述主机MCU单片机控制电路和显示MCU单片机控制电路的MCU芯片均采用MC9S08AW16。
8.根据权利要求7所述的电源，其特征在于：所述逆变器采用IGBT逆变桥，主机MCU单片机控制电路输出逆变控制信号SPWM驱动波至IGBT逆变桥的栅极。
9.根据权利要求2或4所述的电源，其特征在于：所述整流器采用可控硅桥式整流器，所述输出的整流控制信号至可控硅桥式整流器的可控硅栅极。
10.根据权利要求1至4任一项所述的电源，其特征在于：所述旁路静态开关和逆变静态开关均采用反向并联的可控硅，所述输出的静态开关控制信号作用于反向并联可控硅的栅极，触发反向并联可控硅导通或截止。
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