專利名稱：綠色不間斷電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種綠色不間斷電源。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)不間斷電源UPS，在有市電的時候，先把市電通過AC/DC變換器，變成直流電壓，接著是通過DC/DC變換器，進行功率因數(shù)校正，然后再通過DC/AC變換器，逆變成交流電壓，提供給用戶設(shè)備；沒有市電的時候，蓄電池的直流電壓先通過DC/DC變換器升壓，再通過DC/AC變換器，逆變成交流電壓，提供給用戶設(shè)備，還要進行DC/DC變換，對蓄電池充電。市電和蓄電池的電壓都必須通過二次或三次功率變換，才能到達用戶設(shè)備，因此電能損耗大，整機效率低。同時，由于電路復雜，功率變換環(huán)節(jié)多，故障率高，給整個系統(tǒng)引入了現(xiàn)實的和潛在的不安全因素。
綜上所述，傳統(tǒng)不間斷電源成本高、效率低、電路復雜、故障率高。
近期發(fā)明的無逆變器不間斷電源UPSWI，免除了傳統(tǒng)不間斷電源中的逆變器，成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)UPS的十分之一，提供給用戶設(shè)備的是直流電壓，免除了傳統(tǒng)UPS所固有的、對用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波干擾，因此，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。但UPSWI不包括逆變器，輸出的是直流電壓，不能帶感性負載，這在某種程度上，減小了其應用范圍；同時，UPSWI只有電壓低端補償功能，沒有電壓高端補償功能，當市電電壓過高時，輸出電壓不能保持恒定，給用戶設(shè)備帶來潛在的安全隱患。例如當市電為280V時，輸出直流電壓空載時可達400V。如果要使輸出直流電壓保持恒定，必須在輸出級另外增加全功率直流穩(wěn)壓器，其成本、體積、重量、功耗將會變得比傳統(tǒng)UPS還在高得多。
另外，UPSWI沒有進行功率因數(shù)校正，其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為0.6左右，在世界范圍內(nèi)強制執(zhí)行IEC555-2、IEEE519、EN60555-2、EN61000-3-2等國際標準以后，既不能接入國內(nèi)電網(wǎng)，也不能進入國際市場。
接入電網(wǎng)的用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波，對電網(wǎng)構(gòu)成污染，是電力系統(tǒng)的大敵。直流輸出的設(shè)備，都有一個采用二極管整流、大電容濾波的整流環(huán)節(jié)，使輸入的交流電流嚴重畸變，所產(chǎn)生的諧波，使得電力系統(tǒng)本身，和電力系統(tǒng)的通信、繼電保護以及接入電力系統(tǒng)的所有儀器儀表產(chǎn)生誤測量、誤動作。隨著用電設(shè)備日益增多，諧波污染引起了越來越廣泛的關(guān)注。顯然，使用有效的校正技術(shù)把諧波污染控制在較小范圍是當務之急。諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的污染的同時，還造成電源功率因數(shù)的降低。不加功率因數(shù)校正的容性負載，其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為0.6以下，其實際意義是電網(wǎng)每發(fā)電1000瓦，只有600瓦被用電設(shè)備所吸收，其中有400瓦被白白浪費掉。因此，為了有效地消除諧波和提高功率因數(shù)，接入電網(wǎng)的各類用電設(shè)備必須采用有源功率因數(shù)校正器(APFC)。
有源功率因數(shù)校正器一般采用的電路拓樸，是一種非隔離的、工作在連續(xù)導電模式(CCM)的Boost變換器電路，其成本約為全功率變換器的20％左右。UPSWI采用了這種電路以后，增加了PFC功能和低壓補償功能，可以代替原來的電壓補償穩(wěn)壓器，UPSWI的成本增加并不很多。但這種有源功率因數(shù)校正器沒有電壓高端補償功能，當輸入交流電壓低于220VAV時，APFC可以有穩(wěn)定的直流電壓輸出，并且輸出直流電壓可以調(diào)整到308VDC，UPSWI可以正常工作；但當輸入交流電壓變化到280VAC時，APFC輸出的直流電壓會隨著輸入交流電壓變化到400VDC，因為這種PFC電路是一種升壓電路，只有電壓低端補償功能，而沒有電壓高端補償功能，其輸出的直流電壓不可能低于輸入交流電壓的峰值。如果要使輸出直流電壓保持恒定，必須在輸出級另增加全功率直流穩(wěn)壓器，其成本、體積、重量、功耗將會變得比傳統(tǒng)UPS還在高得多。
有源功率因數(shù)校器可以采用的另一種電路拓樸，是一種隔離的、工作在非連續(xù)導電模式(DCM)的反激式變換器電路。這種電路有高頻變壓器隔離，其輸出的直流電壓可以任意調(diào)節(jié)，在性能上完全適合UPSWI輸出級的要求。但是，這種隔離的電路拓樸，是100％全功率變換器，用以取代UPSWI原有的電壓補償穩(wěn)壓器(10％的全功率變換器)，必然增加了90％的成本、體積、重量和功耗，采用這種隔離電路拓樸的結(jié)果，和采用上述非隔離電路拓樸的結(jié)果相同，其成本、體積、重量、功耗將會變得比傳統(tǒng)UPS還在高得多。
綜上所述，UPSWI沒有電壓高端補償功能，也沒有功率因數(shù)校正功能，更不能輸出交流電壓，只要具備上述三種功能中的一種，則其成本、體積、重量、功耗將會變得比傳統(tǒng)UPS還在高得多。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服傳統(tǒng)UPS成本高、效率低、電路復雜、故障率高的缺點，克服UPSWI沒有電壓高端補償功能，沒有功率因數(shù)校正功能，也不能輸出交流的缺點，推出一種成本低、效率高、電路簡單、故障率低，安全可靠，對用戶設(shè)備無干擾的綠色不間斷電源，這種電源具有電壓高端補償功能，具有功率因數(shù)校正功能，既可輸出交流，也可輸出直流電壓，輸出交流和直流電壓的比例，可由用戶自選，同時保持無逆變器不間斷電源UPSWI相對于傳統(tǒng)UPS的所有優(yōu)越性，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)UPS的十分之一。
本發(fā)明的目的是以下述方案實現(xiàn)的免除傳統(tǒng)不間斷電源中的逆變器，市電通過整流器倒相而不濾波，得到單邊脈動正弦電壓(即饅頭波)后，保持其中的基波成份。當市電小于或等于額定值時，用功率校正級對饅頭波進行功率因數(shù)校正和低端補償；當市電過高時，采用正弦切割級，把饅頭波中高出額定輸出電壓部份的電能反饋到輸入端，以此進行輸入電壓的高端補償，然后進行功率因數(shù)校正；當市電中斷時，通過正弦切割級把蓄電池的直流切割成饅頭波，同時通過功率校正級對切割出來的饅頭波進行電壓低端補償，而把蓄電池電壓中，切割下饅頭波剩余部份的電能反饋到輸入端。通過低壓補償后的饅頭波，再通過倒相級還原成正弦波輸出電壓，通過濾波級平滑成直流輸出電壓。
可同時輸出交流和直流的機型，其中包括蓄電池(1)、整流器(2)、正弦切割級(3)、功率校正級(4)、倒相級(5)和濾波級(6)，其特征是交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接正弦切割級(3)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和倒相級(5)，功率校正級(4)接濾波級(6)；交流輸出電壓(Va)由倒相級(5)引出，直流輸出電壓(Vd)由濾波級(6)引出。
只輸出交流的機型，其中包括交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接正弦切割級(3)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和倒相級(5)，交流輸出電壓(Va)由倒相級(5)引出。
只輸出直流的機型，其中包括交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接功率校正級(4)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和濾波級(6)，直流輸出電壓(Vd)由濾波級(6)引出。
圖1可同時輸出交直流電壓的框圖。
圖2只輸出交流電壓的框圖。
圖3只輸出直流電壓的框圖。
圖4可同時輸出交直流電壓的電路圖。
圖5只輸出交流電壓的電路圖。
圖6只輸出直流電壓的電路圖。
圖7弦切割級場效應管的驅(qū)動電路。
圖8倒相級可控硅的驅(qū)動電路。
圖9市電電壓高于額定輸出電壓部份經(jīng)切割后的波形圖。
圖10蓄電池電壓切割成饅頭波電壓的波形11各點電壓波形圖(11-1)輸入市電波形，(11-2)整流后的饅頭波，(11-3)功率校正后的波形，(11-4)電容C2濾波后的波形，(11-5)輸出交流電壓波形，(11-6)輸出直流電壓波形。
在圖4的電路中，蓄電池(1)由第一可控硅(SCR1)和蓄電池組(E)組成，第一可控硅(SCR1)的負極接蓄電池組(E)的正極，第一可控硅(SCR1)的正極接整流橋(REC)的2腳，蓄電池組(E)的負極接地(GND)。正弦切割級(3)由變壓器(TRN)、第一二級管(D1)、第一電容(G1)、繼電器(RL)、第二可控硅(SCR2)、第一場效應管(Q1)及其驅(qū)動電路組成；變壓器(TRN)的1腳、第一二級管(D1)的負極、第一可控硅(SCR1)的正極和第一可控硅(SCR1)的負極接在一起，第一電容(C1)的一端和繼電器(RL)的一個觸頭接第一二極管(D1)的負極，變壓器(TRN)的4腳和第一電容(C1)的另一端接地(GND)，繼電器(RL)的另一觸頭接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，第二可控硅(SCR2)的正極接蓄電池(E)的正極，變壓器(TRN)的3腳接第一二極管(D1)的正極，其2腳接第一場效應管(Q1)的漏極(D1)，第一場效應管(Q1)的源極(S1)接第一電感(L1)的1腳。功率校正級(4)由第一電感(L1)、第二二極管(D2)和第二場應管(Q2)及其驅(qū)動電路組成；第一電感(L1)的2腳、第二二極管(D2)的正極和第二場應管(Q2)的漏極(D2)接在一起，第二二極管(D2)的負極接第三可控硅(SCR3)的正極，第二場效應管(Q2)的源極(S2)接地(GND)。倒相級(5)由第二電容(C2)、第三電容(C3)和第三到第六可控硅(SCR3-SCR6)及其驅(qū)動電路組成；第三可控硅(SCR3)和第四可控硅(SCR4)的正極接第二電容(C2)的一端，第五可控硅(SCR5)和第六可控硅(SCR6)的負極接第二電容(C2)的另一端，第三可控硅(SCR3)的負極和第五可控硅(SCR5)的正極接第三電容(C3)的一端，第四可控硅(SCR4)的負極和第六可控硅(SCR6)的正極接第三電容(C3)的另一端，第三可控硅(SCR3)的負極接輸出電壓的火線(Va)，第六可控硅(SCR6)的負極接(GND)，其正極接輸出交流電壓的零線(Var)。濾波級(6)由第三二極管(D3)和第四電容(C4)組成；第三二極管(D3)的正極接第二二極管(D2)的負極，其負極接第四電容(C4)的正極，第四電容(C4)的負極接地(GND)，輸出直流電壓(Vd)由第五電容(C4)的正極引出。
圖5和圖6的電路結(jié)構(gòu)與此相同，交流輸出的機型，沒有濾波級，只有倒相級；直流輸出的機型，沒有倒相級，只有濾波級。
圖7是正弦切割級。正弦切割級(3)的第一場效應管(Q1)柵極(G1)的驅(qū)動電路，由第一到五電阻(R1-R5)、第三場效應管(Q3)、穩(wěn)壓管(ZD)和電位器(VR)組成；第二電阻(R2)并在第一場效應管(Q1)的漏極(D1)和柵極(G1)之間，第三電阻(R3)、電位器(VR)和第四電阻(R4)依次串聯(lián)，串聯(lián)后的支路和第五電阻(R5)并聯(lián)，并聯(lián)后電路的一頭接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，另一頭接地(GND)，穩(wěn)壓管(ZD)的負極接第一電阻(R1)的一端，其正極接地(GND)，第一電阻(R1)的另一端接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，第三場效應管(Q3)的漏極(D3)接第一場效應管(Q1)的柵極(G1)，其源極(S3)接穩(wěn)壓二極管(ZD)的負極，其柵極接電位器(VR)的中心抽頭；正弦波信號(Vsin)加在第三場效應管(Q3)的源極(S3)和地(GND)之間，脈沖方波信號(PLS)加在第一場效應管(Q1)的柵極(G1)和其源極(S1)之間。
圖8是倒相級。倒相級(5)的第三到第六可控硅(SCR3-SCR6)的驅(qū)動電路由方波發(fā)生器和四個結(jié)構(gòu)相同的隔離電路組成。方波發(fā)生器由集成電路(U1)及其周圍元件組成，集成電路(U1)的1腳接地(GND)，其2腳接6腳，同時通過第五電容(C5)接地(GND)，其3腳通過第六電阻(R6)接2腳，同時通過第八電阻(R8)接三極管(Q4)的基極，其4腳和8腳接輔助電源(+12V)，并通過第九電阻(R9)接三極管(Q4)的集電極，第七電阻(R7)接在三極管(Q4)的基極和發(fā)射極之間，三極管(Q4)的發(fā)射極接地(GND)。第一個隔離電路由第二光耦(U2)及其周圍元件組成，第六電容(C6)和第十三電阻(R13)串聯(lián)，第六電容(C6)接第三可控硅(SCR3)的負極，第十三電阻(R13)接第三可控硅(SCR3)的正極，第二光耦(U2)的1腳通過第十八電阻(R18)接集成電路(U1)的3腳，其2腳接第五光耦(U5)的1腳，其4腳通過第十二電阻(R12)接第六電容(C6)和第十三電阻(R13)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第三可控硅(SCR3)的柵極。第二個隔離電路由第三光耦(U3)及用其周圍元件組成，第七電容(C7)和第十七電阻(R17)串聯(lián)，第七電容(C7)接第四可控硅(SCR4)的負極，第十七電阻(R17)接第四可控硅(SCR4)的正極，第三光耦(U3)的1腳通過第十九電阻(R19)接三極管(Q4)的集電極，其2腳接第四光耦(U4)的1腳，其4腳通過第十六電阻(R16)接第七電容(C7)和第十七電阻(R17)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第四可控硅(SCR4)的柵極。第三個隔離電路由第四光耦(U4)及其周圍元件組成，第八電容(C8)和第十五電阻(R15)串聯(lián)，第八電容(C8)接第五可控硅(SCR5)的負極，第十五電阻(R15)第五可控硅(SCR5)的正極，第四光耦(U4)的2腳接地(GND)，其4腳通過第十四電阻(R14)接第八電容(C8)和第十五電阻(R15)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第五可控硅(SCR5)的柵極。第四個隔離電路由第五光耦(U5)及其周圍元件組成，第九電容(C9)和第十一電阻(R11)串聯(lián)，第九電容(C9)接第六可控硅(SCR6)的負極，第十一電阻(R11)接第六可控硅(SCR6)的正極，第五光耦(U5)的2腳接地(GND)，其4腳通過第十電阻(R10)接第九電容(C9)和第十一電阻(R11)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第六可控硅(SCR6)的柵極。
具體實施例方式
實施方式一既可輸出交流，也可輸出直流，交流電壓和直流電壓的比例，可由用戶自選。
當市電在正常范圍時，繼電器RL處在常閉接點，輸入電壓只經(jīng)過整流器、功率校正級和倒相級。整流器把市電的正弦交流電壓倒相成饅頭波，便于進行單邊功率因數(shù)校正。對交流電壓進行單邊功率因數(shù)校正的目的，是為了使交流和直流電壓可以通過相同的功率通道，從而簡化電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約整機成本。功率因數(shù)校正后的饅頭波電壓，經(jīng)過電容C2以后，濾去了其上迭加的、由功率因數(shù)校正器所產(chǎn)生的高頻脈沖，然后由倒相級把饅頭波電壓還原成正弦交流輸出電壓Va。倒相級的電路結(jié)構(gòu)與逆變器類似，其區(qū)別在于，逆變器是把直流變換成正弦波或方波，如果用高頻變換器，會產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，如果用工頻變換器，需要龐大的工頻變壓器和濾波電感，總之，逆變器是成本高而效率低；這里的倒相級卻不然，其輸入的電壓已是單邊正脈動弦波，既不必高頻變換，也不需龐大的工頻變壓器和濾波電感，其功率損耗，和整流器完全一樣。功率校正后的饅頭波電壓，經(jīng)倒相級還原成交流輸出電壓Va，其中一部份經(jīng)電解電容C4平滑濾波，變成直流輸出電壓Vd。這里的二極管D3起隔離作用。輸出交流電壓，需要可控硅倒相，輸出直流電壓，需要電解電容濾波，用戶自選直流和交流輸出電壓的比例，實際上并不影響整機成本。
當市電大于正常范圍時，繼電器RL處在常開接點，正弦切割級起作用。市電經(jīng)過整流器把交流電壓倒相成饅頭波，經(jīng)過正弦切割級，把饅頭波中高出額定輸出電壓部份切割下不，把切下來的這部份電能反饋到輸入端，然后經(jīng)過功率校正級對切去多余部份的饅頭波進行功率因數(shù)校正，通過倒相級輸出正弦波電壓Va，同時通過濾波級輸出直流電壓Vd。這時市電被分成二部份，一部份在場效應管Q1的漏極電路上產(chǎn)生壓降，另一部份就是輸出電壓。由于輸出電壓是恒定的，所以饅頭波中高出額定輸出的電壓，將全部降落在Q1的漏極電路上，這時正弦切割級會把這部份電壓所包含的電能，經(jīng)高頻功率變換后反饋到輸入端。在調(diào)整正弦切割級時，必須保證其輸出的饅頭波電壓的平均值，小于或等于整機額定輸出電壓的平均值，因為功率校正級是一個升壓變換器，只有輸入電壓小于或等于其輸出電壓，才能保持輸出饅頭波電壓有效值的恒定，從而保證輸出的交流電壓Va和直流電壓Vd的恒定。
倒相級中的四個可控硅的驅(qū)動電路(見圖8)，還起到隔離作用，從NE555的3腳和7腳獲得的對稱方波信號，驅(qū)動四個光耦，從而控制四個可控硅輪流適時導通，把經(jīng)C2濾波后的恒定饅頭波倒相成交流電壓。
功率校正級對交流輸入的作用有兩個一是進行有源功率因數(shù)校正，二是保持輸出電壓的恒定(低端補償)，對直流輸入的作用只一個，就是保持輸出電壓的恒定(低端補償)。有源功率因數(shù)校正APFC是在基波為單邊脈動正弦波之上疊加一個高頻脈沖波，由C3將此高頻脈沖波濾去以后，就還原成單邊脈動正弦波，這里的單邊脈動正弦波，就是饅頭波。
可控硅SCR1控制對蓄電池E的充電，當蓄電池電壓充到額定值時，SCR1自動關(guān)斷，停止充電?？煽毓鑃CR2控制蓄電池的適時接入，當市電停電的時候，SCR2開通，蓄電池接入，當市恢復的時候，SCR2自動關(guān)斷?？煽毓鑃CR1和SCR2以及繼電器RL的檢測、控制，以及功率因數(shù)校正器的驅(qū)動，均為現(xiàn)有技術(shù)。只輸出直流的實施方案三，實際上是增加了電壓高端補償、有源功率因數(shù)校正和輸出交流電壓這三項功能的無逆變器不間斷電源UPSWI。
本實施方式的各點波形，請參考圖11。
實施方式二只輸出交流電壓的方式。
如果只輸出交流電壓，去掉實施方式一中接在功率校正級后面的濾波級即可，工作過程和工作原理和實施方式一相同。
實施方式三只輸出直流電壓的方式。
如果只輸出直流電壓，可去掉實施方式一中接在功率校正級后面的倒相級，工作過程和工作原理與實施方式一基本相同，這時候，蓄電池電壓不經(jīng)過正弦切割級，而直接進入功率校正級，因為輸出電壓本來就是直流，不必把直流切割成正弦波。
幾點說明一、正弦切割級中的場效應管Q1所組成的電路(見圖7)，結(jié)構(gòu)簡單，器件少而功能多1)射極跟隨器，2)線性直流穩(wěn)壓器，3)低頻功率放大器，4)高頻功率變換器，場效應管Q1的前置放大級的Q3，把從源極進入的單邊脈動正弦波參考信號Vsin放大到輸出電壓的額定值，此信號從Q3的漏極進入Q1的柵極，由于此單邊脈動正弦波參考電壓是恒定的，所以，進入Q1柵極的單邊脈動正弦波電壓也是恒定的，使得從Q1源極輸出的單邊脈動正弦波電壓也保持恒定，因此，Q1所組成的電路是一個射極跟隨器；R3、VR和R4組成的檢測電路，把Q1源極輸出電壓的變化反映到前置級，形成強烈負反饋，使得Q1源極的輸出電壓相對負載變化和輸入電壓的變化保持恒定，因此，Q1所組成的電路又是一個線性直流穩(wěn)壓器；前置放大級Q3組成的電路，把單邊脈動正弦波參考電壓放大，然后由Q1的源極輸出，Q1和Q3漏極的供電電壓是市電經(jīng)整流后的單邊脈動電壓，或者是蓄電池輸出的直流電壓，因此，Q1所組成的電路也是一個低頻功率放大器；在Q1的漏極接有一個高頻變壓器及其濾波電路，同時在柵極和源極之間接有高頻方波驅(qū)動信號，高頻變壓器次級輸出的電壓和輸入電壓并聯(lián)，由于濾波電容只濾除高頻部份，基波是正弦波，輸出仍然是正弦波，基波是直流，輸出仍然是直流，同時，此輸出電壓是隔離的，和輸入電壓并聯(lián)，并不產(chǎn)生沖突，因此，場效應管Q1所組成的電路同時是一個高頻功率變換器。
場效應管Q1組成的電路，無論有多簡單，也無論具有多少功能，其主要目的是把其輸入電壓(饅頭波或直流電壓)中高于額定輸出電壓平均值的多余部份切割下來(即進行所謂的電壓高端補償)，并將切割下來這部份的電能反饋到輸入端，而能保持切割后的剩余部份是標準的單邊脈動正弦波，因此，將其命名為正弦切割級比較貼切。
不難理解，Q1的源極輸出的是單邊脈動正弦波電壓，漏極接有一個高頻功率變換器，這個高頻功率變換器的供電電壓的低端，就在單邊脈動正弦波的包絡上滑動，其幅值等于輸入市電的單邊脈動電壓或者蓄電池直流電壓，減去Q1源極的輸出電壓，由于Q1漏極上高頻功率變換器的存在，使得Q1在運行的全過程中，一直處于飽和狀態(tài)。如果輸入市電比額定輸出電壓高，則Q1會把高出額定電壓部份切割下來(見圖9)，經(jīng)漏極的高頻功率變換器反饋到輸入端；同樣道理，如果輸入的是蓄電池的直流電壓，Q1會把直流切割成正弦波(見圖10)，而把正弦波以外的部份，經(jīng)漏極的高頻功率變換器反饋到輸入端。正弦切割級的元件少，功能多，效率高。由于Q1在工作的全過程中，一直處在飽和狀態(tài)，其全部功率損耗只相當一個飽和管壓降所產(chǎn)生的功率損耗，二、本發(fā)明每一個環(huán)節(jié)的電路，都采用了非常規(guī)的應用方式1)輸入蓄電池直流電壓，要想在輸出端得到交流正弦波電壓，必須進行DC/AC逆變，要么利用工頻變壓器和濾波電感進行工頻逆變，要么利用PWM進行高頻逆變；本發(fā)明在輸出端獲得交流正弦波電壓，而不必進行工頻或高頻逆變。
2)整流濾波器，在整流橋后面接有大容量電解電容組成的濾波器，目的是濾掉正弦波中包括基波在內(nèi)的所有諧波分量；本發(fā)明是整流而不濾波，目的是保留和利用輸入電壓中的基波分量。
3)由Boost電路拓樸組成的有源功率因數(shù)校正器，是一種輸出直流電壓的預穩(wěn)壓器，接有大容量電解電容組成的濾波電路，目的是濾去由PWM所產(chǎn)生的高頻分量和正弦波中所包含各次諧波分量，如果應用在直流輸出的場合，在功率因數(shù)校正后要進行DC/DC變換，如果應用在交流輸出的場合，功率因數(shù)校正后要進行DC/AC變換。本發(fā)明在有源功率因數(shù)校正器后，并不采用大容量電解電容濾波，只用小容量電容濾去由PWM所產(chǎn)生的高頻分量而保留弦波中的基波分量，因此，盡管是交流輸出的應用場合，輸出的是正弦波電壓，但在功率因數(shù)校正后卻不必進行DC/AC變換。
4)直流線性穩(wěn)壓電源，其功能是穩(wěn)定直流電壓，和現(xiàn)在大行其道的開關(guān)穩(wěn)壓電源相比，以其成本、體積、重量、功耗過大而早已經(jīng)被遺忘和淘汰。本發(fā)明的正弦切割級卻正是采用了直流線性穩(wěn)壓的電路拓樸，但所穩(wěn)定的并不是直流而是正弦波，而其成本、體積、重量、功耗卻比開關(guān)電源減少了90％。
5)低頻功率放大器，實際上是一種音頻專用放大器，是消費類電子產(chǎn)品，所放大的是話音或樂聲，主要指標是高保真度而有意忽略效率，其效率一般是50％左右，本發(fā)明的正弦切割級卻正是采用了低頻功率放大電路，目的是取代逆變器而從蓄電池的直流電壓中獲得正弦波電壓，但其效率卻高達95％以上。
6)三極管、場效應管所組成的電路，都是直流方式供電，而且對工作電壓的紋波電平，都有相應要求，本發(fā)明中的所有三極管和場效應管，都采用饅頭波供電，自始至終都保持正弦波中的基波分量。
三、本發(fā)明對各環(huán)節(jié)的電路都采用了非常規(guī)的應用，雖然是反其道而行之，卻獲得意想不到的技術(shù)效果。全功率變換器(單位為U)，表征了一臺UPS的復雜性、可靠性和設(shè)計的合理性，應用全功率的概念，可以衡量一臺UPS的成本、體積、重量、功耗(見“傳統(tǒng)不間斷電源即將功成身退”一文，郁百超中國電源學會第十六屆年會論文集)。
以下是傳統(tǒng)UPS中最具代表性的幾種機型，根據(jù)表1可計算出它們的全功率值如下表1UPS常用部件的全功率值
1)在線式大功率工頻UPS，包括整流濾波器(0.01U)、功率因數(shù)校正器(0.2U)，逆變器(1U)、充電器(0.5U)，是一個1.71U的UPS。
2)在線式大功率高頻UPS，包括整流濾波器(0.01U)、功率因數(shù)校正器(0.2U)，逆變器(1U)、充電器(0.5U)，是一個1.71U的UPS。
3)Delta雙變換UPS，包括Delta逆變器(0.2U)，主逆變器(1U)，是一個1.2U的UPS。
從表1可以計算出無逆變器不間斷電源和綠色不間斷電源的全功率值1)無逆變器不間斷電源，包括整流濾波器(0.01U)、電壓補償穩(wěn)壓器(0.10U)，是一個0.11U的UPS。
2)綠色不間斷電源包括整流濾波器(0.01U)、正弦切割級(0.1U)、功率因數(shù)校正器(0.2U)，倒相級)(0.01U)，是一個0.31U有UPS。
綠色不間斷電源中的濾波級合并在整流器濾波器內(nèi)，倒相級和整流級相同，而正弦切割級的全功率值和電壓補償穩(wěn)壓器相同。
以上計算出來的全功率值，都具有可比較性，因為各款電源的輸出電壓都是交流，同時具有功率因數(shù)校正功能。傳統(tǒng)雙變換不間斷電源包括1.71U的功率變換器，Delta雙變換不間斷電源包括1.2U的功率變換器，而綠色不間斷電源只包括0.31U的功率變換器。Delta雙變換UPS的各項性能之所以大大優(yōu)于傳統(tǒng)雙變換UPS，是因為減少了0.5U的功率變換器。計算結(jié)果表明，綠色不間斷電源比Delta雙變換UPS又減少了0.89U的功率變換器，其各項性能和技術(shù)指標的提高，可想而知。
無逆變器不間斷電源沒有功率因數(shù)校正功能，也不能輸出交流電壓，不具備比較性，如果一定要進行平等的比較，可在無逆變器不間斷電源中增加功率因數(shù)校正器(0.2U)和逆變器(1.0U)，減去電壓補償穩(wěn)壓器(0.1U)，如此一來，無逆變器不間斷電源就是一個包括1.21U的UPS，其性能比Delta雙變換不間斷電源略差。
權(quán)利要求
1.一種綠色不間斷電源，包括蓄電池(1)、整流器(2)、正弦切割級(3)、功率校正級(4)、倒相級(5)和濾波級(6)，其特征是交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接正弦切割級(3)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和倒相級(5)，功率校正級(4)接濾波級(6)；交流輸出電壓(Va)由倒相級(5)引出，直流輸出電壓(Vd)由濾波級(6)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接正弦切割級(3)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和倒相級(5)，交流輸出電壓(Va)由倒相級(5)引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是交流輸入電壓(AC)進入整流器(2)，整流器(2)的輸出接正弦切割級(3)，并向蓄電池(1)充電，蓄電池(1)的輸出接功率校正級(4)，正弦切割級(3)之后依次接功率校正級(4)和濾波級(6)，直流輸出電壓(Vd)由濾波級(6)引出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是蓄電池(1)由第一可控硅(SCR1)和蓄電池組(E)組成，第一可控硅(SCR1)的負極接蓄電池組(E)的正極，第一可控硅(SCR1)的正極接整流橋(REC)的2腳，蓄電池組(E)的負極接地(GND)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是正弦切割級(3)由變壓器(TRN)、第一二級管(D1)、第一電容(C1)、繼電器(RL)、第二可控硅(SCR2)、第一場效應管(Q1)及其驅(qū)動電路組成；變壓器(TRN)的1腳、第一二級管(D1)的負極、第一可控硅(SCR1)的正極和第一可控硅(SCR1)的負極接在一起，第一電容(C1)的一端和繼電器(RL)的一個觸頭接第一二極管(D1)的負極，變壓器(TRN)的4腳和第一電容(C1)的另一端接地(GND)，繼電器(RL)的另一觸頭接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，第二可控硅(SCR2)的正極接蓄電池(E)的正極，變壓器(TRN)的3腳接第一二極管(D1)的正極，其2腳接第一場效應管(Q1)的漏極(D1)，第一場效應管(Q1)的源極(S1)接第一電感(L1)的1腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是功率校正級(4)由第一電感(L1)、第二二極管(D2)和第二場應管(Q2)及其驅(qū)動電路組成；第一電感(L1)的2腳、第二二極管(D2)的正極和第二場應管(Q2)的漏極(D2)接在一起，第二二極管(D2)的負極接第三可控硅(SCR3)的正極，第二場效應管(Q2)的源極(S2)接地(GND)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是倒相級(5)由第二電容(C2)、第三電容(C3)和第三到第六可控硅(SCR3-SCR6)及其驅(qū)動電路組成；第三可控硅(SCR3)和第四可控硅(SCR4)的正極接第二電容(C2)的一端，第五可控硅(SCR5)和第六可控硅(SCR6)的負極接第二電容(C2)的另一端，第三可控硅(SCR3)的負極和第五可控硅(SCR5)的正極接第三電容(C3)的一端，第四可控硅(SCR4)的負極和第六可控硅(SCR6)的正極接第三電容(C3)的另一端，第三可控硅(SCR3)的負極接輸出電壓的火線(Va)，第六可控硅(SCR6)的負極接(GND)，其正極接輸出交流電壓的零線(Var)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綠色不間斷電源，其特征是濾波級(6)由第三二極管(D3)和第四電容(C4)組成；第三二極管(D3)的正極接第二二極管(D2)的負極，其負極接第四電容(C4)的正極，第四電容(C4)的負極接地(GND)，輸出直流電壓(Vd)由第五電容(C4)的正極引出。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的綠色不間斷電源，其特征是正弦切割級(3)的第一場效應管(Q1)柵極(G1)的驅(qū)動電路，由第一到五電阻(R1-R5)、第三場效應管(Q3)、穩(wěn)壓管(ZD)和電位器(VR)組成；第二電阻(R2)并在第一場效應管(Q1)的漏極(D1)和柵極(G1)之間，第三電阻(R3)、電位器(VR)和第四電阻(R4)依次串聯(lián)，串聯(lián)后的支路和第五電阻(R5)并聯(lián)，并聯(lián)后電路的一頭接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，另一頭接地(GND)，穩(wěn)壓管(ZD)的負極接第一電阻(R1)的一端，其正極接地(GND)，第一電阻(R1)的另一端接第一場效應管(Q1)的源極(S1)，第三場效應管(Q3)的漏極(D3)接第一場效應管(Q1)的柵極(G1)，其源極(S3)接穩(wěn)壓二極管(ZD)的負極，其柵極接電位器(VR)的中心抽頭；正弦波信號(Vsin)加在第三場效應管(Q3)的源極(S3)和地(GND)之間，脈沖方波信號(PLS)加在第一場效應管(Q1)的柵極(G1)和其源極(S1)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的綠色不間斷電源，其特征是倒相級(5)的第三到第六可控硅(SCR3-SCR6)的驅(qū)動電路由方波發(fā)生器和四個結(jié)構(gòu)相同的隔離電路組成；1)方波發(fā)生器由集成電路(U1)及其周圍元件組成，集成電路(U1)的1腳接地(GND)，其2腳接6腳，同時通過第五電容(C5)接地(GND)，其3腳通過第六電阻(R6)接2腳，同時通過第八電阻(R8)接三極管(Q4)的基極，其4腳和8腳接輔助電源(+12V)，并通過第九電阻(R9)接三極管(Q4)的集電極，第七電阻(R7)接在三極管(Q4)的基極和發(fā)射極之間，三極管(Q4)的發(fā)射極接地(GND)；2)第一個隔離電路由第二光耦(U2)及其周圍元件組成，第六電容(C6)和第十三電阻(R13)串聯(lián)，第六電容(C6)接第三可控硅(SCR3)的負極，第十三電阻(R13)接第三可控硅(SCR3)的正極，第二光耦(U2)的1腳通過第十八電阻(R18)接集成電路(U1)的3腳，其2腳接第五光耦(U5)的1腳，其4腳通過第十二電阻(R12)接第六電容(C6)和第十三電阻(R13)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第三可控硅(SCR3)的柵極；3)第二個隔離電路由第三光耦(U3)及用其周圍元件組成，第七電容(C7)和第十七電阻(R17)串聯(lián)，第七電容(C7)接第四可控硅(SCR4)的負極，第十七電阻(R17)接第四可控硅(SCR4)的正極，第三光耦(U3)的1腳通過第十九電阻(R19)接三極管(Q4)的集電極，其2腳接第四光耦(U4)的1腳，其4腳通過第十六電阻(R16)接第七電容(C7)和第十七電阻(R17)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第四可控硅(SCR4)的柵極；4)第三個隔離電路由第四光耦(U4)及其周圍元件組成，第八電容(C8)和第十五電阻(R15)串聯(lián)，第八電容(C8)接第五可控硅(SCR5)的負極，第十五電阻(R15)第五可控硅(SCR5)的正極，第四光耦(U4)的2腳接地(GND)，其4腳通過第十四電阻(R14)接第八電容(C8)和第十五電阻(R15)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第五可控硅(SCR5)的柵極；5)第四個隔離電路由第五光耦(U5)及其周圍元件組成，第九電容(C9)和第十一電阻(R11)串聯(lián)，第九電容(C9)接第六可控硅(SCR6)的負極，第十一電阻(R11)接第六可控硅(SCR6)的正極，第五光耦(U5)的2腳接地(GND)，其4腳通過第十電阻(R10)接第九電容(C9)和第十一電阻(R11)串聯(lián)支路的中點，其6腳接第六可控硅(SCR6)的柵極。
全文摘要
本發(fā)明是一種綠色不間斷電源，免除了傳統(tǒng)不間斷電源中的逆變器，卻能同時輸出交流電壓和直流電壓，在保持傳統(tǒng)不間斷電源和無逆變器不間斷電源所有優(yōu)點的同時，完全克服了它們的缺點；具有功率因數(shù)校正功能，對網(wǎng)側(cè)無干擾，總諧波畸變THD在3％以下，而輸入功率因數(shù)在99％以上；具有電壓高端補償功能，可工作在市電160－280V的條件之下；電路簡單，故障率低，安全可靠，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)UPS的十分之一。
文檔編號H02M7/48GK1750355SQ20051009685
公開日2006年3月22日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者郁百超 申請人:郁百超