本發(fā)明涉及一種采用開關(guān)電源技術(shù)與變頻逆變技術(shù)的穩(wěn)流電源，尤其是具有既可以輸出低頻交流穩(wěn)流電，又可以輸出直流穩(wěn)流電，還可以輸出220V、50HZ交流電的不間斷變頻交流穩(wěn)流電源。

技術(shù)背景

目前，我國地震觀測(cè)、地震工程、水文地質(zhì)等行業(yè)，進(jìn)行地電阻率測(cè)量所使用的穩(wěn)流電源普遍采用的是直流穩(wěn)流電源。由于直流地電阻率觀測(cè)系統(tǒng)容易受到電氣化鐵路、工業(yè)或其它散雜電流的影響，抗干擾能力相對(duì)較差；如果采用可變頻的交流穩(wěn)流電源進(jìn)行地電阻率觀測(cè)，由于交流電阻率觀測(cè)運(yùn)用的是選頻發(fā)射，選頻接受的交流電法技術(shù)，頻率單一，因而抗干擾能力會(huì)顯著增強(qiáng)；此外由于地球表面趨附效應(yīng)的影響，輸出不同的頻率，可以測(cè)量不同深度的地電阻率，利于做地下介質(zhì)的反演；在有些場(chǎng)合，還需要進(jìn)行直流和交流電阻率對(duì)比觀測(cè)或聯(lián)合觀測(cè)，因此既需要有可變頻的低頻交流穩(wěn)流電源，同時(shí)也需要有直流穩(wěn)流電源。在地質(zhì)行業(yè)，雖然也有使用可變頻的交流穩(wěn)流電源，但國產(chǎn)電源基本是輸出方波型的變頻電源，而非正弦波型的變頻電源，而且普遍采用的穩(wěn)流電源基本不具備不間斷功能，一旦市電中斷，需要較大功率的UPS供電或發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電才能維持工作，這給需要持續(xù)工作和野外工作帶來諸多不便。

本發(fā)明不但可以輸出頻率和電流可程控的正弦波低頻交流穩(wěn)流電，也可以輸出電流可程控的直流穩(wěn)流電，同時(shí)還可以不間斷輸出220V/50Hz交流供其它用電設(shè)備使用的電，該電源可以滿足我國地震、地質(zhì)行業(yè)地電阻率觀測(cè)的各種需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服目前地震觀測(cè)、地震工程、水文地質(zhì)等行業(yè)，進(jìn)行地電阻率測(cè)量所使用的穩(wěn)流電源的不足，滿足地電阻率觀測(cè)抗干擾的技術(shù)要求，并實(shí)現(xiàn)交/直流對(duì)比觀測(cè)、聯(lián)合觀測(cè)的需要。本發(fā)明提供了一種利用開關(guān)電源技術(shù)、變頻逆變技術(shù)設(shè)計(jì)的不間斷變頻穩(wěn)流電源，該電源不但可以輸出頻率和電流可程控的正弦波低頻交流穩(wěn)流電源，供地電阻率觀測(cè)設(shè)備使用，或者輸出電流可程控的直流穩(wěn)流電源，供地電阻率觀測(cè)設(shè)備使用，同時(shí)還可以輸出220V/50Hz交流電供其它用電設(shè)備使用。

本發(fā)明主要由開關(guān)穩(wěn)壓電源電路及充電電路、變頻穩(wěn)流逆變電路、220V/50Hz交流逆變電路、交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路、蓄電池組及工作電源電路組成。

附圖說明

圖1是“不間斷變頻穩(wěn)流電源電路結(jié)構(gòu)圖”；

圖2是“開關(guān)穩(wěn)壓電源電路工作原理框圖”；

圖3是“市電輸入及整流濾波電路”圖；

圖4是“復(fù)合型開關(guān)電源變換電路”圖；

圖5是“高頻整流濾波輸出電路”圖；

圖6是“PWM產(chǎn)生及控制電路”圖；

圖7是“變頻穩(wěn)流逆變電路的工作原理框圖”；

圖8是“交/直流基準(zhǔn)信號(hào)輸入電路”圖；

圖9是“交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路”圖；

圖10是“交/直流PWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路”圖；

圖11是“全橋逆變與穩(wěn)流輸出電路”圖；

圖12是“220V/50Hz交流逆變電路的工作原理框圖”；

圖13是“50Hz正弦波信號(hào)產(chǎn)生及電壓采樣電路”圖；

圖14是“交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路”圖。

具體實(shí)施方式

1、本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)與功能

本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如說明書附圖(1)所示，主要由開關(guān)穩(wěn)壓電源電路、變頻穩(wěn)流逆變電路、220V/50Hz交流逆變電路、交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路、蓄電池組及工作電源電路，這五部分組成。其主要功能是：

(1)開關(guān)穩(wěn)壓電源電路：在市電狀態(tài)時(shí)，該電路將市電整流濾波成310V左右的直流電，并將這310V左右的直流電通過復(fù)合型開關(guān)電源變換電路進(jìn)行變換，一組變換成510V的高壓直流電，供變頻穩(wěn)流逆變電路使用，另一組變換成110V(或83V)左右的直流電，對(duì)蓄電池組8節(jié)(或6節(jié))進(jìn)行充電；在市電中斷(逆變)狀態(tài)時(shí)，該電路將蓄電池組中儲(chǔ)存的電能，經(jīng)復(fù)合型開關(guān)電源變換器進(jìn)行變換，變換成510V的高壓直流電，供變頻穩(wěn)流逆變電路和220V/50Hz交流逆變電路使用。

(2)變頻穩(wěn)流逆變電路：該電路是將510V的高壓直流電，逆變成頻率電流程控的交流穩(wěn)流電輸出(最大輸出電流可達(dá)3A)，或逆變成電流可程控的直流穩(wěn)流輸出(最大輸出電流可達(dá)5A)。

(3)220V/50Hz交流逆變電路：該電路是在市電中斷(逆變)狀態(tài)時(shí)，將510V的高壓直流電逆變成220V/50Hz，電流可達(dá)1A的交流輸出，共其它用電設(shè)備使用。

(4)交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路：該電路產(chǎn)生頻率和幅度可程控的交流或幅度可程控的直流信號(hào)基準(zhǔn)源，供變頻穩(wěn)流逆變電路使用；并向其它電路提供控制信號(hào)，控制狀態(tài)切換或保護(hù)功能。

(5)蓄電池組及工作電源電路：該電路的蓄電池組由8節(jié)(或6節(jié))蓄電池組組成，為不間斷電源提供不間斷的電能，同時(shí)向其它電路提供工作所需要的電源。

2、開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的工作原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的工作原理框圖如附圖(2)所示。

開關(guān)穩(wěn)壓電源電路主要由：市電輸入及整流濾波電路、復(fù)合型開關(guān)電源變換電路、高頻整流濾波輸出電路、PWM產(chǎn)生及控制電路組成。其工作原理如下：

市電輸入及整流濾波電路如附圖(3)所示，圖中J1和K1分別是市電輸入的插座和開關(guān)，由高頻濾波電容GC1、GC2、GC3和共扼線圈L1構(gòu)成了LC抗干擾網(wǎng)絡(luò)，D0是整流橋，L2 是濾波電感，同時(shí)起到抗大電路的沖擊作用，CE1是高壓電解電容。在市電狀態(tài)時(shí)，該電路將輸入的220V市電經(jīng)抗干擾濾波后，一路經(jīng)整流濾波成310V左右的直流電，從P3、P4端輸送給復(fù)合型開關(guān)電源變換電路；另一路從P1、P2端分別送給220V/50Hz交流逆變電路中的交流輸出電路輸出，和PWM產(chǎn)生及控制電路進(jìn)行市電是否中斷的判別。

復(fù)合型開關(guān)電源變換電路附圖如(4)所示，圖中：M1、M2、M3、M4四個(gè)功率VMOS管構(gòu)成了一個(gè)全橋開關(guān)電路，PR1～PR4、GC4～GC11為全橋開關(guān)電路的吸收電路，T1為開關(guān)變壓器，GC12為抗飽和電容，PR5和GC13為開關(guān)變壓器初級(jí)繞組的吸收電路，PR6和GC14、PR7和GC15是開關(guān)變壓器逆變(充電)繞組的吸收電路，PR8和GC16為開關(guān)變壓器次級(jí)繞組的吸收電路，Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管和開關(guān)變壓器T1的逆變(充電)繞組組成了一個(gè)推挽開關(guān)電路(或全波整流電路)。

在市電狀態(tài)時(shí)，M1、M2、M3、M4組成的全橋開關(guān)電路被啟動(dòng)工作，同時(shí)Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖，復(fù)合型開關(guān)電源變換電路將310V左右的直流電變換成可以整流濾波成510V高壓直流的高頻電壓由開關(guān)變壓器T1的次級(jí)繞組，經(jīng)P5、P6輸出；由于Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖，此時(shí)Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管的內(nèi)部二極管D3、D4就成了整流二極管，開關(guān)變壓器T1的逆變(充電)繞組和VMOS管內(nèi)部二極管D3、D4就構(gòu)成了全波整流電路，對(duì)高頻電壓進(jìn)行整流，經(jīng)電容GE2濾波后，由二極管D1和電阻PR9通過接口J4向蓄電池組充電。

當(dāng)市電中斷時(shí)，M1、M2、M3、M4組成的全橋開關(guān)電路被禁止工作，同時(shí)Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管被啟動(dòng)工作，此時(shí)Q1、Q2兩個(gè)功率VMOS管和開關(guān)變壓器T1的逆變(充電)繞組組成了一個(gè)推挽開關(guān)電路，蓄電池組通過接口J4和二極管D2放電，推挽開關(guān)電路將96V(或72V)左右的蓄電池釋放的直流電變換成可以整流濾波成510V高壓直流的高頻電壓由開關(guān)變壓器T1的次級(jí)繞組，經(jīng)P5、P6輸出給高頻整流濾波輸出電路。

高頻整流濾波輸出電路如附圖(5)所示，圖中D5～D8是高頻整流二極管，PR10～PR13和GC16～GC19組成的是吸收電路，L3是濾波電感，GE3和GE4為濾波電容，PR14為負(fù)載電阻。該電路將由P5、P6輸入的高頻電壓整流濾波成510V的高壓直流由P7、P8端輸出。

PWM產(chǎn)生及控制電路如附圖(6)所示，圖中U1和U4分別是市電狀態(tài)和逆變狀態(tài)的PWM產(chǎn)生及控制芯片SG3525A，U3是反相器CD4069芯片，電阻R8～R12、C2～C4、D3和反相器U3A(反相器CD4069芯片中第A個(gè)反相器)組成了U1的外圍電路；電阻R16～R21、C5～C7、D4和反相器U3E(反相器CD4069芯片中第E個(gè)反相器)組成了U4的外圍電路；比較器U2和電阻R1～R7、二極管D1和D2、電容C1、變壓器T3組成了市電判別電路；電阻R14、R15分別和高頻濾波輸出電路中510V的高壓直流P7、P8輸出端相連和R13組成了輸出電壓采樣電路；T2是復(fù)合型開關(guān)電源變換電路中功率VMOS管M1、M2、M3、M4的PWM的驅(qū)動(dòng)變壓器，P9～P16分別和功率VMOS管M1、M2、M3、M4的控制端柵極G和源極S端相連；P17和P18分別接復(fù)合型開關(guān)電源變換電路中功率VMOS管Q1和Q2的控制端柵極G；U1的第16管腳是控制芯片SG3525A的基準(zhǔn)源5.1V輸出端，分別向U2和U4提供基準(zhǔn) 源。

當(dāng)是市電狀態(tài)時(shí)，市電判別電路輸出低電平，使市電狀態(tài)PWM脈沖信號(hào)產(chǎn)生及控制芯片U1啟動(dòng)產(chǎn)生PWM，通過驅(qū)動(dòng)變壓器T2輸出M1～M4的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)全橋開關(guān)電路工作；同時(shí)市電判別電路輸出的低電平，經(jīng)反相器U3F(反相器CD4069芯片中第F個(gè)反相器)后變成了高電平，封鎖U4工作，使U4得輸出PWM脈沖信號(hào)端為零電平，同時(shí)高電平封鎖信號(hào)經(jīng)反相器U3E后再變成低電平，將啟動(dòng)電容C7中儲(chǔ)存的電釋放掉，使U4處于待緩慢啟動(dòng)狀態(tài)，防止U4被啟動(dòng)時(shí)直接輸出最大脈沖寬度，以達(dá)到保護(hù)電路的目的。當(dāng)市電中斷時(shí)，市電判別電路輸出高電平，U1被封鎖，并將啟動(dòng)電容C4中儲(chǔ)存的電釋放掉，使U1處于待緩慢啟動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)U4工作，通過P17和P18啟動(dòng)復(fù)合型開關(guān)電源變換電路中功率VMOS管Q1和Q2工作，將蓄電池組中電能逆變成510V的穩(wěn)壓直流電輸出。

3、變頻穩(wěn)流逆變電路的工作原理

變頻穩(wěn)流逆變電路的工作原理框圖如附圖(7)所示。

變頻穩(wěn)流逆變電路主要由：交/直流基準(zhǔn)信號(hào)輸入與電流采樣電路、交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路、交/直流PWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變與穩(wěn)流輸出電路組成。其工作原理如下：

交/直流基準(zhǔn)信號(hào)輸入電路如附圖(8)所示：P19是交/直流基準(zhǔn)信號(hào)輸入端，經(jīng)R13、R14和U2的B運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器跟隨后，經(jīng)R22到P22端口輸出到交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路；端口P20接交/直流逆變橋的一個(gè)橋臂、P21接穩(wěn)流輸出的一個(gè)輸出端，IR為輸出電流的取樣電阻，經(jīng)由R15～R18和U2的D運(yùn)放組成的差分放大器放大后，再經(jīng)R19、R20和U2的A運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器跟隨后，經(jīng)R21到端口P22輸出到交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路，在這里交/直流基準(zhǔn)信號(hào)和電流采樣放大信號(hào)形成反相疊加信號(hào)。

交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路如附圖(9)所示：該電路由PWM控制芯片UC3637(2U5)、2U4的第C個(gè)運(yùn)放、邏輯電路(CD4081和CD4069)、及外圍電路R23～R34、2C1～2C3組成，由P22輸入的信號(hào)經(jīng)該電路產(chǎn)生的PWM脈沖經(jīng)P23、P24端口送給隔離驅(qū)動(dòng)電路。該電路最主要的特點(diǎn)是UC3637(2U5)產(chǎn)生的SPWM脈沖調(diào)制信號(hào)是雙極性調(diào)制信號(hào)，經(jīng)邏輯電路(CD4081和CD4069)進(jìn)行邏輯變換以后，就轉(zhuǎn)變成了單極性正弦波調(diào)制信號(hào)。

交/直流PWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路如附圖(10)所示：U8和U9是光電隔離器6N137、U10是VMOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2130，2R35～2R46、2C4和2C5都是他們的外圍電路。該電路將P23、P24端口輸入的交/直流PWM脈沖信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)后供給交/直流全橋逆變電路。

全橋逆變與穩(wěn)流輸出電路如附圖(11)所示：2M1、2M2、2M3、2M4是全橋的四個(gè)VMOS管、2C1～2C4是尖峰吸收電容，2L1、2PR1和2GC3、2GC4組成了高頻濾波電路，2L2、2GC1、2GC2是π型濾波電路，2PR2是假負(fù)載電阻。該電路將開關(guān)穩(wěn)壓電源電路及充電電路供過來的510V直流電逆變成所需要的頻率和電流的低頻交流(或直流)輸出。

4、220V/50Hz交流逆變電路的工作原理

220V/50Hz交流逆變電路的工作原理框圖如附圖(12)所示。

220V/50Hz交流逆變電路主要由：50Hz正弦波信號(hào)產(chǎn)生及電壓采樣電路、SPWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路、SPWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變電路及220V穩(wěn)壓輸出電路組成。其工作原理如下：

50Hz正弦波信號(hào)產(chǎn)生及電壓采樣電路如附圖(13)所示：3U1A、3U1B、3U1D分別是四運(yùn)放電路芯片LM324中的三個(gè)運(yùn)算放大器，3U1A、電阻3R1～3R4、電容3C1和3C2、二極管3D1和3D2組成的是一個(gè)由文氏電橋，產(chǎn)生50Hz正弦波；3U1D、電阻3R5～3R7、電容3C3和3C4組成的是一個(gè)帶通濾波器，起到對(duì)50Hz正弦波進(jìn)行濾波整形作用；3W1是一個(gè)精密電位器，通過它可以調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的幅度，送給由3U1B、電阻3R8和3R9組成的電壓跟隨器跟隨輸出。端口P31和P32是交流220V/50Hz輸出的端口，經(jīng)電阻3R15、3R16分壓采樣，由3R13形成與3R14輸出的50Hz正弦波基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行反相疊加后輸出。

220V/50Hz交流逆變電路中的SPWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路、SPWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路與變頻穩(wěn)流逆變電路中的交/直流PWM脈沖產(chǎn)生及邏輯變換電路、交/直流PWM脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路相同。

全橋逆變電路及220V穩(wěn)壓輸出電路與變頻穩(wěn)流逆變電路中的全橋逆變與穩(wěn)流輸出電路，初采樣方式不同外，也基本一致，其功能是將開關(guān)穩(wěn)壓電源電路及充電電路供過來的510V直流電逆變成220V/50Hz交流電輸出。

5、交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路的工作原理

交/直流基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生及控制電路如附圖(14)所示。

在附圖(14)中，2U0是單片機(jī)芯片AT89C55WD，2U1和2U2是16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX541，2U3A～2U3D是集成運(yùn)放LM324的四個(gè)運(yùn)放單元，2U3A、2U3C、2U3D及外圍電阻2R1～2R9構(gòu)成的是一個(gè)差分輸入的儀器放大器，2U3B及外圍電路2R10～2R12構(gòu)成的是一個(gè)放大電路，2U11是鍵盤與顯示電路，通過總線與2U0相連，2U12是2U0的串行通信接口電路MAX232。在這些電路中，2U0是整個(gè)電路的核心部件，由它對(duì)正弦波進(jìn)行數(shù)字編碼和運(yùn)算，并通過2U1和2U2將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換成模擬正弦波基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)后級(jí)放大電路的整形放大后，由端口P19輸出。通過2U11(鍵盤與顯示電路)可以進(jìn)行輸出頻率和電流大小參數(shù)的顯示和設(shè)置，設(shè)置的頻率為三位數(shù)，可以從0.00～100Hz，設(shè)置的頻率為0.00時(shí)表示設(shè)置的為直流，電流的大小可以從0.1～5.0A(峰值)，同時(shí)可以執(zhí)行電源的啟動(dòng)和停止指令。通過串行接口也可以進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置和電源的啟動(dòng)、停止指令。