具体实施方式

本发明的核心是提供一种安全用电装置，通过工频整流模块、高频逆变模块、高频整流模块和工频逆变模块对第一工频交流电的整流和逆变处理，保证最终输出的第二工频交流电的电压有效值为预设电压，从而保证无论第一工频交流电的电压有效值如何，都能够输出为负载稳定供电的第二工频交流电，此外，高频隔离变压器还能够实现输入和输出之间的电路隔离，以便将输入侧的中性点接地系统转换为中性点不接地系统，从而实现安全用电装置的基本功能。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种安全用电装置的结构示意图，该装置包括：

输入端输入第一工频交流电的工频整流模块1，用于将第一工频交流电整流为直流电；

输入端与工频整流模块1连接的高频逆变模块2，用于将直流电逆变为电压有效值为预设电压的高频交流电；

一次侧与高频逆变模块2的输出端连接的高频隔离变压器3，用于将自身的输入端和输出端之间进行隔离，并将高频逆变模块2输出的高频交流电传输至自身的二次侧；

输入端与高频隔离变压器3的二次侧连接的高频整流模块4，用于将高频隔离变压器3输出的高频交流电整流为电压为预设电压的直流电；

输入端与高频整流模块4的输出端连接，输出端与负载连接的工频逆变模块5，用于将高频整流模块4输出的直流电逆变为电压有效值为预设电压的第二工频交流电；

与高频逆变模块2的控制端和工频逆变模块5的控制端均连接的控制主板6，用于对高频逆变模块2和工频逆变模块5进行控制，以使高频逆变模块2输出高频交流电，使工频逆变模块5输出第二工频交流电。

本实施例中，申请人考虑到现有技术中的安全用电装置通常都是设置常规的隔离变压器，不同于目前供电系统的主流用电，其输出电源的零线和火线均不予接地，因此，输出负载侧具有电不起火、电不伤人以及接地短路不断电的特点，所以称为安全用电装置，目前，常规的安全用电装置虽然可以解决很多的应用场所的安全用电问题，但还存在一些缺陷，例如，电压不可调节，也即输入电压出现波动时，输出端也会随之波动，而且现有技术中的安全用电装置的体积较大，占用空间也较大，其次，当零火线短路时会放炮等等缺陷。

为了解决上述技术问题，首先，本申请中设置了工频整流模块1，用于将第一工频交流电进行整流处理，第一工频交流电可以但不限定为电网提供的50Hz的交流电，其也可以但不限定为单相电压或三相电压。工频整流模块1将第一工频交流电整流为直流电后，直流电的电压并未改变，随后由高频逆变模块2将工频整流模块1输出的直流电逆变为电压有效值为预设电压的高频交流电，该高频交流电可以但不限定为频率为5kHz至20kHz的交流电，高频隔离变压器3将高频逆变模块2和高频整流模块4之间隔离开，并将高频交流电传输至高频整流模块4，高频整流模块4将高频交流电整流为预设电压的直流电，从而使工频逆变模块5将高频整流模块4输出的直流电逆变为电压有效值为预设电压的第二工频交流电，以为负载供电。

需要说明的是，当工频逆变模块5为三相交流输出时，预设电压为380V，而当工频逆变模块5为单相交流输出时，预设电压为220V。无论第一工频交流电的电压如何波动，最终安全用电装置输出的均为电压有效值为预设电压的交流电，保证了为负载的有效供电。

具体地，高频逆变模块2为通过改变超前桥臂和滞后桥臂之间的调节移相角的大小来调节输出电压以达到稳定的预设电压的大小的器件。高频隔离变压器3，是将5kHz～20kHz单相高频电源变成同电压等级的5kHz～20kHz单相高频电源的隔离变压器，其作用主要是输入测与输出侧电源隔离，改变中性线接地方式。为确保隔离可靠，可以在高频隔离变压器3的输入侧与输出侧之间增加接地屏蔽层，并尽可能降低输出侧对地分布电容值。

此外，控制主板6还可以通过采集温度传感器信号以控制冷却风扇的启停及超温报警、保护功能。通过采集输出侧各极对地电压信号以监控本申请的输出端各极(如单相的火线与零线，三相的A、B、C三相与N线)的对地绝缘状况。

本申请中可以但不限定为通过触摸屏与控制主板6实现就地人机交互，同时，也通过4G通讯模块与远程监控平台进行通讯，服务人员及用户借助专用的远程监控平台通过手机监控转件与设备实现远程人机交互功能。

综上，本申请通过工频整流模块1、高频逆变模块2、高频整流模块4和工频逆变模块5对第一工频交流电的整流和逆变处理，保证最终输出的第二工频交流电的电压有效值为预设电压，从而保证无论第一工频交流电的电压有效值如何，都能够输出为负载稳定供电的第二工频交流电，此外，高频隔离变压器还能够实现输入和输出之间的电路隔离，以便将输入侧的中性点接地系统转换为中性点不接地系统，从而实现安全用电装置的基本功能。

在上述实施例的基础上：

请参照图2，图2为本发明提供的一种安全用电装置的具体地结构示意图。

作为一种优选的实施例，还包括：

输入端分别与工频整流模块1的输入端及工频逆变模块5的输出端连接，输出端与控制主板6连接的电压检测模块，用于检测第一工频交流电的电压和第二工频交流电的电压；

输入端分别与工频整流模块1的输入端及工频逆变模块5的输出端连接，输出端与控制主板6连接的电流检测模块，用于检测工频整流模块1的输入电流和工频逆变模块5的输出电流；

控制主板6具体用于基于第一工频交流电的电压和第二工频交流电的电压，以及工频整流模块1的输入电流和工频逆变模块5的输出电流对高频逆变模块2和工频逆变模块5进行控制，以使高频逆变模块2输出高频交流电，使工频逆变模块5输出第二工频交流电。

为了保证输出电压的稳定性，本实施例中分别设置了电压检测模块和电流检测模块，通过对第一工频交流电的电压、第二工频交流电的电压以及输入电流输出电流的检测，控制主板6对工频逆变模块5和高频逆变模块2进行随时调整的控制，以保证最终输出的第二工频电压的电压有效值的稳定。

作为一种优选的实施例，还包括：

正极与高频整流模块4的输出正端连接，负极与高频整流模块4的输出负端连接的储能蓄电池组BAT，用于在高频整流模块4正常输出时充电，并在高频整流模块4停止输出时输出预设电压的直流电，以为工频逆变模块5供电。

本实施例中，申请人考虑到若工频整流模块1、高频逆变模块2、高频隔离变压器3和高频整流模块4中的一个或多个可能会存在故障，此时工频逆变模块5无法输出第二工频交流电，为负载供电，为了解决这个技术问题，本申请在高频整流模块4和工频逆变模块5之间设置了储能蓄电池组BAT，作为突然停电时应急储能备用电源，当高频整流模块4能够正常输出时，储能蓄电池组BAT处于充电状态，且高频整流模块4不仅作为储能蓄电池组BAT的主充电源，还可以作为储能蓄电池组BAT的浮充电源，以为储能蓄电池组BAT正常充电，当高频整流模块4无法输出时，由储能蓄电池组BAT为工频逆变模块5供电，以使工频逆变模块5能够正常输出第二工频交流电，保证为负载的持续供电，使整个安全用电装置具备UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)功能。

需要说明的是，储能蓄电池组BAT的容量可以按用户的需要确定，通常情况下，额定电流放电时间不超过2小时。

作为一种优选的实施例，还包括：

控制主板6还用于在第一工频交流电的电压有效值小于预设最小值或大于预设最大值时控制高频逆变模块2停止输出，以使储能蓄电池组BAT为工频逆变模块5供电。

申请人考虑到若输入的第一工频交流电的电压过大或过低，可能会因过电压或欠电压导致器件故障，为了解决这个问题，本实施例中的控制主板6还用于在第一工频交流电的电压有效值小于预设最小值或大于预设最大值时控制高频逆变模块2停止输出，也即过电压或欠电压时由储能蓄电池组BAT供电，储能蓄电池组BAT输出稳定的直流电，以使工频逆变模块5为负载供电。

具体地，单相交流电压在165V～275V的电压范围外变化时分别为过电压和欠电压，只有当单相电压在165V～275V的电压范围内变化时，工频逆变模块5输出的第二工频交流电的电压有效值为220V；三相电压在285V～475V的电压范围外变化时分别为过电压和欠电压，只有当三相电压在285V～475V的电压范围内变化时，工频逆变模块5输出的第二工频交流电的电压有效值为380V。

作为一种优选的实施例，还包括设置于工频整流模块1的输入端的保护断路器K，用于在工频整流电路的输入端的电流不小于过载电流，或者第一工频交流电的电压有效值小于预设最小值或大于预设最大值时跳闸断开。

本实施例中还在工频整流模块1的输入端设置了保护断路器K，保护断路器K是具有过载保护、短路保护、过欠压保护(过压和欠压时跳闸)等功能的开关，在工频整流电路的输入端的电流不小于过载电流，或者第一工频交流电的电压有效值小于预设最小值或大于预设最大值时跳闸断开，随后连接的储能蓄电池BAT以前的装置均停止工作，以避免损坏，同时，由储能蓄电池BAT向工频逆变装置供电，工频逆变装置仍然可以输出稳定的第二工频交流电。为保证控制主板6的稳定工作，控制主板6的电源取自工频逆变模块5输出侧。

作为一种优选的实施例，还包括：

控制主板6还用于在工频逆变模块5的输出电流大于预设截止电流时控制工频逆变模块5停止输出。

申请人考虑到当工频逆变模块5的输出电流过大时，可能会出现设备过载、火线之间短路以及零火线短路放炮等问题，本申请中在工频逆变模块5的输出电流大于预设截止电流时控制工频逆变模块5停止输出，从而避免这些问题的产生，需要说明的是，截止电路可以但不限定为负载额定电流的1.05倍。

作为一种优选的实施例，工频逆变模块5为单相工频逆变模块或三相工频逆变模块；

工频整流模块1为单相工频整流模块或三相工频整流模块。

请参照图3，图4和图5，图3为单相-单相安全用电装置接线示意图，图4为单相-三相安全用电装置接线示意图，图5为三相-三相安全用电装置接线示意图。图中的A，B和C分别为输入的三相，a，b，c，n为输出端的三相和零线，PE为接地端。

本实施例中的工频逆变模块5可以为单相工频逆变模块，也可以为三相工频逆变模块，工频整流模块1可以为单相工频整流模块，也可以为三相工频整流模块，具体依据负载的实际需要设置，通过不同的组合，不仅可以实现单相交流电转换为单相交流电，三相交流电转换为三相交流电，还可以实现三相交流电转换为单相交流电以及单相交流电转换为三相交流电。

作为一种优选的实施例，高频隔离变压器3的铁芯为按照AP面积法计算设计的铁芯；

根据AP面积法选择高频隔离变压器3铁芯的公式为：

AP＝A_e×A_w＝11.1×P_in ^1.32/(K×△B×f)

其中，A_w为铁芯窗口面积，A_e为铁芯有效截面积，AP为A_w与A_e的乘积，根据AP值选择高频隔离变压器3的铁芯时，AP值越大，铁芯的体积越大；P_in为高频隔离变压器3的输入功率，K为铁芯选型系数，可以通过公式K＝K_u×K_t×K_p计算得到，K_u为窗口利用系数，K_p为初级绕组面积系数，K_t为拓扑系数，△B为磁感应增量，f为高频隔离变压器3的工作频率；

确定高频隔离变压器3的匝数公式为：

N_P＝V_P/(k_f×f×B_W×A_e)

其中，N_P为高频隔离变压器3的原边绕组匝数，V_P为高频隔离变压器3的输入电压，k_f为高频交流电的波形系数有效值与平均值之比，B_W为工作磁通密度。

从本实施例中的根据AP面积法选择高频隔离变压器3铁芯的公式可以得到，铁芯的体积实际是与高频隔离变压器3的工作频率成负相关，若高频隔离变压器3的工作频率越大，铁芯的体积可以设置的更小，通过这种方式能够减小铁芯的体积，并减小整个装置的重量。

其中，△B的取值可以但不限定为0.15T～0.2T，K_u的取值通常为0.4，K_t的取值通常为0.71，K_p的取值通常为0.5，基于此，计算得出的K为0.141。k_f在高频交流电未正弦波时为4.44，为方波时为4.0。B_W通常取值为0.37T。

此外，K_u＝A_w’/A_w，其中A_w’为绕组实际占用窗口面积。

综上，当Pin一定，变压器铁芯的体积和变压器的工作频率成反比；而当V_P一定，原边绕组匝数和变压器的工作频率成反比。通过计算可知，即使在考虑高频集肤效应的情况下，如果不含储能蓄电池组BAT的体积，5kHz～20kHz高频隔离变压器3自身重量只有同容量普通隔离变压器的体积的1/30～1/50,如果包括整流、逆变及散热冷却等附加部分，本申请中的装置体积及重量不到常规产品的1/10，满足多种安装空间的需求。

作为一种优选的实施例，还包括：

与控制主板6连接的温度检测模块，用于检测安全用电装置的温度；

控制主板6还用于在安全用电装置的温度大于预设温度时控制工频逆变模块5和高频逆变模块2停止工作。

作为一种优选的实施例，还包括：

与控制主板6连接的人机交互模块，用于接收用户的指令，

控制主板6还用于基于用户的指令对工频逆变模块5和高频逆变模块2的工作和停止工作进行控制。

例如，基于用户的指令控制工频逆变模块5和高频逆变模块2的开始或停止工作。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。