一种不间断变频稳流电源的制作方法

本发明涉及一种采用开关电源技术与变频逆变技术的稳流电源，尤其是具有既可以输出低频交流稳流电，又可以输出直流稳流电，还可以输出220V、50HZ交流电的不间断变频交流稳流电源。

技术背景

目前，我国地震观测、地震工程、水文地质等行业，进行地电阻率测量所使用的稳流电源普遍采用的是直流稳流电源。由于直流地电阻率观测系统容易受到电气化铁路、工业或其它散杂电流的影响，抗干扰能力相对较差；如果采用可变频的交流稳流电源进行地电阻率观测，由于交流电阻率观测运用的是选频发射，选频接受的交流电法技术，频率单一，因而抗干扰能力会显著增强；此外由于地球表面趋附效应的影响，输出不同的频率，可以测量不同深度的地电阻率，利于做地下介质的反演；在有些场合，还需要进行直流和交流电阻率对比观测或联合观测，因此既需要有可变频的低频交流稳流电源，同时也需要有直流稳流电源。在地质行业，虽然也有使用可变频的交流稳流电源，但国产电源基本是输出方波型的变频电源，而非正弦波型的变频电源，而且普遍采用的稳流电源基本不具备不间断功能，一旦市电中断，需要较大功率的UPS供电或发动机发电才能维持工作，这给需要持续工作和野外工作带来诸多不便。

本发明不但可以输出频率和电流可程控的正弦波低频交流稳流电，也可以输出电流可程控的直流稳流电，同时还可以不间断输出220V/50Hz交流供其它用电设备使用的电，该电源可以满足我国地震、地质行业地电阻率观测的各种需要。

技术实现要素：

为了克服目前地震观测、地震工程、水文地质等行业，进行地电阻率测量所使用的稳流电源的不足，满足地电阻率观测抗干扰的技术要求，并实现交/直流对比观测、联合观测的需要。本发明提供了一种利用开关电源技术、变频逆变技术设计的不间断变频稳流电源，该电源不但可以输出频率和电流可程控的正弦波低频交流稳流电源，供地电阻率观测设备使用，或者输出电流可程控的直流稳流电源，供地电阻率观测设备使用，同时还可以输出220V/50Hz交流电供其它用电设备使用。

本发明主要由开关稳压电源电路及充电电路、变频稳流逆变电路、220V/50Hz交流逆变电路、交/直流基准信号产生及控制电路、蓄电池组及工作电源电路组成。

附图说明

图1是“不间断变频稳流电源电路结构图”；

图2是“开关稳压电源电路工作原理框图”；

图3是“市电输入及整流滤波电路”图；

图4是“复合型开关电源变换电路”图；

图5是“高频整流滤波输出电路”图；

图6是“PWM产生及控制电路”图；

图7是“变频稳流逆变电路的工作原理框图”；

图8是“交/直流基准信号输入电路”图；

图9是“交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路”图；

图10是“交/直流PWM脉冲隔离驱动电路”图；

图11是“全桥逆变与稳流输出电路”图；

图12是“220V/50Hz交流逆变电路的工作原理框图”；

图13是“50Hz正弦波信号产生及电压采样电路”图；

图14是“交/直流基准信号产生及控制电路”图。

具体实施方式

1、本发明的电路结构与功能

本发明的电路结构如说明书附图(1)所示，主要由开关稳压电源电路、变频稳流逆变电路、220V/50Hz交流逆变电路、交/直流基准信号产生及控制电路、蓄电池组及工作电源电路，这五部分组成。其主要功能是：

(1)开关稳压电源电路：在市电状态时，该电路将市电整流滤波成310V左右的直流电，并将这310V左右的直流电通过复合型开关电源变换电路进行变换，一组变换成510V的高压直流电，供变频稳流逆变电路使用，另一组变换成110V(或83V)左右的直流电，对蓄电池组8节(或6节)进行充电；在市电中断(逆变)状态时，该电路将蓄电池组中储存的电能，经复合型开关电源变换器进行变换，变换成510V的高压直流电，供变频稳流逆变电路和220V/50Hz交流逆变电路使用。

(2)变频稳流逆变电路：该电路是将510V的高压直流电，逆变成频率电流程控的交流稳流电输出(最大输出电流可达3A)，或逆变成电流可程控的直流稳流输出(最大输出电流可达5A)。

(3)220V/50Hz交流逆变电路：该电路是在市电中断(逆变)状态时，将510V的高压直流电逆变成220V/50Hz，电流可达1A的交流输出，共其它用电设备使用。

(4)交/直流基准信号产生及控制电路：该电路产生频率和幅度可程控的交流或幅度可程控的直流信号基准源，供变频稳流逆变电路使用；并向其它电路提供控制信号，控制状态切换或保护功能。

(5)蓄电池组及工作电源电路：该电路的蓄电池组由8节(或6节)蓄电池组组成，为不间断电源提供不间断的电能，同时向其它电路提供工作所需要的电源。

2、开关稳压电源电路的工作原理

开关稳压电源电路的工作原理框图如附图(2)所示。

开关稳压电源电路主要由：市电输入及整流滤波电路、复合型开关电源变换电路、高频整流滤波输出电路、PWM产生及控制电路组成。其工作原理如下：

市电输入及整流滤波电路如附图(3)所示，图中J1和K1分别是市电输入的插座和开关，由高频滤波电容GC1、GC2、GC3和共扼线圈L1构成了LC抗干扰网络，D0是整流桥，L2 是滤波电感，同时起到抗大电路的冲击作用，CE1是高压电解电容。在市电状态时，该电路将输入的220V市电经抗干扰滤波后，一路经整流滤波成310V左右的直流电，从P3、P4端输送给复合型开关电源变换电路；另一路从P1、P2端分别送给220V/50Hz交流逆变电路中的交流输出电路输出，和PWM产生及控制电路进行市电是否中断的判别。

复合型开关电源变换电路附图如(4)所示，图中：M1、M2、M3、M4四个功率VMOS管构成了一个全桥开关电路，PR1～PR4、GC4～GC11为全桥开关电路的吸收电路，T1为开关变压器，GC12为抗饱和电容，PR5和GC13为开关变压器初级绕组的吸收电路，PR6和GC14、PR7和GC15是开关变压器逆变(充电)绕组的吸收电路，PR8和GC16为开关变压器次级绕组的吸收电路，Q1、Q2两个功率VMOS管和开关变压器T1的逆变(充电)绕组组成了一个推挽开关电路(或全波整流电路)。

在市电状态时，M1、M2、M3、M4组成的全桥开关电路被启动工作，同时Q1、Q2两个功率VMOS管的驱动信号被封锁，复合型开关电源变换电路将310V左右的直流电变换成可以整流滤波成510V高压直流的高频电压由开关变压器T1的次级绕组，经P5、P6输出；由于Q1、Q2两个功率VMOS管的驱动信号被封锁，此时Q1、Q2两个功率VMOS管的内部二极管D3、D4就成了整流二极管，开关变压器T1的逆变(充电)绕组和VMOS管内部二极管D3、D4就构成了全波整流电路，对高频电压进行整流，经电容GE2滤波后，由二极管D1和电阻PR9通过接口J4向蓄电池组充电。

当市电中断时，M1、M2、M3、M4组成的全桥开关电路被禁止工作，同时Q1、Q2两个功率VMOS管被启动工作，此时Q1、Q2两个功率VMOS管和开关变压器T1的逆变(充电)绕组组成了一个推挽开关电路，蓄电池组通过接口J4和二极管D2放电，推挽开关电路将96V(或72V)左右的蓄电池释放的直流电变换成可以整流滤波成510V高压直流的高频电压由开关变压器T1的次级绕组，经P5、P6输出给高频整流滤波输出电路。

高频整流滤波输出电路如附图(5)所示，图中D5～D8是高频整流二极管，PR10～PR13和GC16～GC19组成的是吸收电路，L3是滤波电感，GE3和GE4为滤波电容，PR14为负载电阻。该电路将由P5、P6输入的高频电压整流滤波成510V的高压直流由P7、P8端输出。

PWM产生及控制电路如附图(6)所示，图中U1和U4分别是市电状态和逆变状态的PWM产生及控制芯片SG3525A，U3是反相器CD4069芯片，电阻R8～R12、C2～C4、D3和反相器U3A(反相器CD4069芯片中第A个反相器)组成了U1的外围电路；电阻R16～R21、C5～C7、D4和反相器U3E(反相器CD4069芯片中第E个反相器)组成了U4的外围电路；比较器U2和电阻R1～R7、二极管D1和D2、电容C1、变压器T3组成了市电判别电路；电阻R14、R15分别和高频滤波输出电路中510V的高压直流P7、P8输出端相连和R13组成了输出电压采样电路；T2是复合型开关电源变换电路中功率VMOS管M1、M2、M3、M4的PWM的驱动变压器，P9～P16分别和功率VMOS管M1、M2、M3、M4的控制端栅极G和源极S端相连；P17和P18分别接复合型开关电源变换电路中功率VMOS管Q1和Q2的控制端栅极G；U1的第16管脚是控制芯片SG3525A的基准源5.1V输出端，分别向U2和U4提供基准 源。

当是市电状态时，市电判别电路输出低电平，使市电状态PWM脉冲信号产生及控制芯片U1启动产生PWM，通过驱动变压器T2输出M1～M4的PWM脉冲驱动信号，启动全桥开关电路工作；同时市电判别电路输出的低电平，经反相器U3F(反相器CD4069芯片中第F个反相器)后变成了高电平，封锁U4工作，使U4得输出PWM脉冲信号端为零电平，同时高电平封锁信号经反相器U3E后再变成低电平，将启动电容C7中储存的电释放掉，使U4处于待缓慢启动状态，防止U4被启动时直接输出最大脉冲宽度，以达到保护电路的目的。当市电中断时，市电判别电路输出高电平，U1被封锁，并将启动电容C4中储存的电释放掉，使U1处于待缓慢启动状态，同时启动U4工作，通过P17和P18启动复合型开关电源变换电路中功率VMOS管Q1和Q2工作，将蓄电池组中电能逆变成510V的稳压直流电输出。

3、变频稳流逆变电路的工作原理

变频稳流逆变电路的工作原理框图如附图(7)所示。

变频稳流逆变电路主要由：交/直流基准信号输入与电流采样电路、交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路、交/直流PWM脉冲隔离驱动电路、全桥逆变与稳流输出电路组成。其工作原理如下：

交/直流基准信号输入电路如附图(8)所示：P19是交/直流基准信号输入端，经R13、R14和U2的B运放构成的跟随器跟随后，经R22到P22端口输出到交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路；端口P20接交/直流逆变桥的一个桥臂、P21接稳流输出的一个输出端，IR为输出电流的取样电阻，经由R15～R18和U2的D运放组成的差分放大器放大后，再经R19、R20和U2的A运放构成的跟随器跟随后，经R21到端口P22输出到交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路，在这里交/直流基准信号和电流采样放大信号形成反相叠加信号。

交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路如附图(9)所示：该电路由PWM控制芯片UC3637(2U5)、2U4的第C个运放、逻辑电路(CD4081和CD4069)、及外围电路R23～R34、2C1～2C3组成，由P22输入的信号经该电路产生的PWM脉冲经P23、P24端口送给隔离驱动电路。该电路最主要的特点是UC3637(2U5)产生的SPWM脉冲调制信号是双极性调制信号，经逻辑电路(CD4081和CD4069)进行逻辑变换以后，就转变成了单极性正弦波调制信号。

交/直流PWM脉冲隔离驱动电路如附图(10)所示：U8和U9是光电隔离器6N137、U10是VMOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片IR2130，2R35～2R46、2C4和2C5都是他们的外围电路。该电路将P23、P24端口输入的交/直流PWM脉冲信号隔离驱动后供给交/直流全桥逆变电路。

全桥逆变与稳流输出电路如附图(11)所示：2M1、2M2、2M3、2M4是全桥的四个VMOS管、2C1～2C4是尖峰吸收电容，2L1、2PR1和2GC3、2GC4组成了高频滤波电路，2L2、2GC1、2GC2是π型滤波电路，2PR2是假负载电阻。该电路将开关稳压电源电路及充电电路供过来的510V直流电逆变成所需要的频率和电流的低频交流(或直流)输出。

4、220V/50Hz交流逆变电路的工作原理

220V/50Hz交流逆变电路的工作原理框图如附图(12)所示。

220V/50Hz交流逆变电路主要由：50Hz正弦波信号产生及电压采样电路、SPWM脉冲产生及逻辑变换电路、SPWM脉冲隔离驱动电路、全桥逆变电路及220V稳压输出电路组成。其工作原理如下：

50Hz正弦波信号产生及电压采样电路如附图(13)所示：3U1A、3U1B、3U1D分别是四运放电路芯片LM324中的三个运算放大器，3U1A、电阻3R1～3R4、电容3C1和3C2、二极管3D1和3D2组成的是一个由文氏电桥，产生50Hz正弦波；3U1D、电阻3R5～3R7、电容3C3和3C4组成的是一个带通滤波器，起到对50Hz正弦波进行滤波整形作用；3W1是一个精密电位器，通过它可以调节到一个合适的幅度，送给由3U1B、电阻3R8和3R9组成的电压跟随器跟随输出。端口P31和P32是交流220V/50Hz输出的端口，经电阻3R15、3R16分压采样，由3R13形成与3R14输出的50Hz正弦波基准信号进行反相叠加后输出。

220V/50Hz交流逆变电路中的SPWM脉冲产生及逻辑变换电路、SPWM脉冲隔离驱动电路与变频稳流逆变电路中的交/直流PWM脉冲产生及逻辑变换电路、交/直流PWM脉冲隔离驱动电路相同。

全桥逆变电路及220V稳压输出电路与变频稳流逆变电路中的全桥逆变与稳流输出电路，初采样方式不同外，也基本一致，其功能是将开关稳压电源电路及充电电路供过来的510V直流电逆变成220V/50Hz交流电输出。

5、交/直流基准信号产生及控制电路的工作原理

交/直流基准信号产生及控制电路如附图(14)所示。

在附图(14)中，2U0是单片机芯片AT89C55WD，2U1和2U2是16位D/A转换器MAX541，2U3A～2U3D是集成运放LM324的四个运放单元，2U3A、2U3C、2U3D及外围电阻2R1～2R9构成的是一个差分输入的仪器放大器，2U3B及外围电路2R10～2R12构成的是一个放大电路，2U11是键盘与显示电路，通过总线与2U0相连，2U12是2U0的串行通信接口电路MAX232。在这些电路中，2U0是整个电路的核心部件，由它对正弦波进行数字编码和运算，并通过2U1和2U2将数字编码转换成模拟正弦波基准信号，经后级放大电路的整形放大后，由端口P19输出。通过2U11(键盘与显示电路)可以进行输出频率和电流大小参数的显示和设置，设置的频率为三位数，可以从0.00～100Hz，设置的频率为0.00时表示设置的为直流，电流的大小可以从0.1～5.0A(峰值)，同时可以执行电源的启动和停止指令。通过串行接口也可以进行各种参数的设置和电源的启动、停止指令。