范文一:UPS不间断电源设计
2012 ~ 2013 学年 第 2 学期
《 电力电子实训 》 课 程 设 计 报 告
题 目: UPS 不间断电源 专 业: 自动化 班 级: 自动化(2) 姓 名: 唐青荣 赵怀润 指导教师: 周松林
电气工程系 2011年5月12日
1、任务书
摘 要
UPS (Uninterruptible Power System ),即不间断电源,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时,UPS 将市电稳压后供应给负载使用,此时的UPS 就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断(事故停电)时,UPS 立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V 交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。 电力电子技术的应用范围已经深入到我们呢的日常生活中去了,其中UPS 不间断电源就是其中的重要应用范围。此次电力电子课程设计中,对UPS 电源的设计就是本次设计的主要内容。随着UPS 的广泛使用,在现代社会中的重要性越来越强,使用范围越来越广,目前,UPS 在电力电子产品中已占市场相当大的份额,所以这次课程设计对我来说具有非常的实际意义,能从中让我学习许多先进的知识和理论,将所学的知识进行升华,这将有利于我今后的工作。 关键词:储能 逆变器 不间断电源 稳压器 向负载供电
Abstract
UPS (Uninterruptible Power System), namely the uninterruptible power supply, is a kind of energy storage device, uninterruptible power supply voltage and frequency of the main part of the inverter. Mainly used for power supply to a single computer, computer network system or other power electronic equipment to provide uninterrupted. When the power input is normal, UPS city electricity voltage supply to load, the UPS is an AC voltage regulator, at the same time it also to the machine battery charging; when the power outage (outage), UPS will immediately built-in battery power, continue to supply 220V alternating current to the load by the method of inverse transformation, the load to maintain the normal work and protect the load of soft, hardware damage. UPS devices are often large and the voltage is too low to provide protection for all voltage
Application of power electronic technology has penetrated into our daily life in London, where UPS uninterruptible power supply is one of the important applications. Power electronics course this design, design of UPS power is the design of the main content. With the wide use of UPS, in the modern society is becoming more and more strong, used, currently, UPS has accounted for a large share of the market in electric and electronic products, so the curriculum design has practice meaning to me, let me learn a lot from the advanced knowledge and theories, to learn the knowledge of sublimation, which will be helpful for our future work.
Keywords: energy storage inverter uninterruptible power supply voltage to the load power supply
插图清单
图2-1 静态UPS 典型框体 . .......................................................................... 错误!未定义书签。 图3-1 UPS不间断电源电路图 . ...................................................................................................... 4 图3-2整流/充电器主回路电路图 ................................................................................................ 5 图3-3逆变电路 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 图3-4旁路电源转换开关 .............................................................................................................. 9
插表清单
表3-1电路图器件清单 ................................................................................................................... 4
目录
第一章 概 绪 .............................................................................................................................. 1
1 2 第二章 系统整体设计方案............................................................................................................. 3
. ....................................................................................................... 3 . ............................................................................................................ 3
. ................................................................................................ 3
第三章 单元电路设计 .................................................................................................................... 4
3.1 整流/充电电路设计 . .......................................................................................................... 5
. ........................................................................................ 5 . ......................................................................................................... 6 . ..................................................................................... 6 . ................................................................................................................... 6 3.3旁路电源 . ............................................................................................................................ 8 第四章 心得与体会 .................................................................................................................... 10
参考文献 ...................................................................................................................................... 11
第一章 概 绪
自从电子设备特别是计算机问世以来,电源问题一直是人们十分关心的问题。且对于一些特殊位置的重要设备,人们不但关心其供电电源本身的性能指标 更注重供电电源的质量,即供电的稳定性和不间断性。因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失,就将造成非常大的损失,甚至无可挽回的损失。所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)的出现,为解决这个问题提供了广阔的前景。
1.1 UPS 的发展历程
最初的UPS 是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS ,即不间断是靠动能维持。这种早期UPS 的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应,不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种UPS 的后备时间是很短的(一般不超过5秒) ,于是人们开始使用备用蓄电池组,这就是早期UPS 的典型结构。这样的UPS 虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间,但转换效率低。于是出现了内燃式UPS 系统,这种UPS 靠内燃机提供断电后的能量。动态UPS 设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。
随着电力电子学(功率电子学) 的发展,为实现大功率的电能转换,于是出现了静态UPS ,它的主电路和控制电路均采用半导体器件,它也是目前绝大多数概念中的UPS 。其基本原理是,市电输入经整流器将交流电变成直流电,一方面给蓄电池组充电,另一方面为逆变器提供能量,再将直流电变成交流电经转换开关送到负载,当逆变器发生故障时,另一路备用电源(旁路电源) 经过转换开关实现向负载供电。
静态UPS 的工作方式有在线式和后备式(Online and Offline) ,两者主体结构大体相同,只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass ) ,而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。而且一般来说,从性能上讲,在线式优于后备式; 从容量上讲,后备式一般不大于3KV A ,而在线式不受此限制,目前单机容量可以做到600KV A 以上,比如M.G , EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS 的装机容量正不断扩大,并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如M.G , EXIDE等公司的UPS 机内信号用微机处理、通讯采用普通信号,而SIEL 公司采用光纤通讯〔OSC 系统) ,从而实现多台UPS 的同相同幅、均负载的功能。 由于单相进单相出给市电配电带来极大困难,于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS ,其最大容量可达60KVA 以上,这种单相输出的UPS 在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载,因此厂家推出了三相入三相出的UPS 产品,而且有三相负载100%不平衡产品,如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SA VIN,VICTRON 等公司的UPS 产品。 为改善后备式UPS 的供电质量,人们研制了净化UPS ,即将净化电源加在旁路电源上,如国产宝合UPS 产品。 结合后备式UPS 效率高和在线式UPS 供电质量高的优点,人们提出了三端口UPS 。它使得离线式和在线式有机结合在一起,产品如APC 、BESTDELTEC 、休康等。 近
期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Battery System),它结合了动态UPS 和静态UPS 的优点,只是噪声稍大,主要应用于特殊场合,如野外、地下室等环境恶劣的场所。
1.2 UPS的发展前景
从以上UPS 的发展历程可看出,UPS 从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式) 、后备在线交叉式等。随之,UPS 的应用领域也从当初单一的计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源(如电力) 、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯) 等领域,后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间,特别是从技术内含意义上讲,从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学,从线性电路到数字电路,从计算机硬件到软件,从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。
随着微电子技术和电力电子技术的不断发展,电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势,UPS 不间断电源也不例外。 电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS 电源产品的体积和重量大大减小,而可靠性和效率得以提高,可带来显著节能、降耗的可观经济效益。微处理器软硬件的引入的可以实现对UPS 的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。从而为UPS 电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。 随着人们对环境保护意识的加强,电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能,因为节电可以减少发电对环境的污染。其次是电源不能(或少) 对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源,向电网注入严重的谐波电流,使得总的功率因素下降 使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了功率因数校正PFC ,Power Factor Corrector) 方法,为21世纪UPS 电源产品的绿色化奠定了基础。
由此可看出 UPS 已当之无魄成为当代高科技成员,而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。
第二章 系统整体设计方案
2.1 负载间断供电的原因
造成负载间断供电的原因又很多,主要有:
(1)交流输入电源(市电)突然发生停电。造成停电的原因有很多,如:用户发生事故造成电源跳闸; 雷击造成短路而跳闸,或者雷击造成输电线断裂而跳闸; 台风或龙卷风将电线瓜裂而跳闸等。
(2)交流电源发生瞬间停电。
(3)电源装置发生故障而中断供电。 2.2系统总体设计原理
UPS 不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电,一方面为备用蓄电池充电,另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。设计的基本点有两个,一是UPS 输出的稳定性,即输出电压和频率都必须保持稳定(在一定的额定精度内) ,二是UPS 输出的不间断性,即要能实现不间断供电。整个设计紧紧围绕这两个要点进行的。 (1)蓄电池(包括充电器) 是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源;
(2)逆变器是UPS 输出稳压稳频的交流电的核心组成,也是整个UPS 核心的采用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断;
(3) 旁路辅助电源(包括维修旁路电源和静态旁路电源) 是为维修、检修UPS 或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。
2.2.1 总体设计原理框图
旁路电路
图2-1 静态UPS 典型框体
第三章 单元电路设计
UPS 电源系统由4部分组成:整流、储能、变换和开关控制。其工作过过程
是当市电正常工作时,直流回路有直流电压供给直流到交流逆变器输出稳定的220V 交流电压,同时市电对蓄电池进行充电。当市电处于欠压或者突然断电时,由蓄电池组提供直流电,通过直流到交流逆变器输出稳定的220V 交流电压。如果逆变器发生故障则通过空气开关,切换到旁路电源,由旁路电源为负载提供交流220V 电压。其主电路图如下所示:
3-1 UPS不间断电源电路图
3.1 整流/充电电路设计
3.1整流/充电电路设计
整流/充电电路在UPS 交流不间断电源装置中的作用主要有两个:一是将交流电整流为直流电,经滤波后供给逆变器;二是给蓄电池提供充电电压,对蓄电池进行充电。整流电路的形式有很多种,典型的整流电路有:三相或单相不可控整流电路、三相或单相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路,带平衡电抗器的12脉波整流电路等。
大功率UPS 不间断电源的整流/充电电路一般选用可控整流电路,这是基于整流器和充电器为一体的设计考虑的,具体来说:
(1)我们希望的是逆变器能得到一个电压比较稳点的电源。但是往往由于很多因素的影响,如市电不断变化的影响,有的时候低于380V ,甚至可能会低于340V ;又是高于380V ,甚至高于420V 等等,如果采用不可控电路的话,就不能保证直流电输出的稳定性。只有采用可控电路才能自动的调节脉冲相位,才能保证输出电压的稳点。
(2)蓄电池的充电电压必须可以调节。不可控电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电压以后的均充电压(均衡充电电压) 两种不同大小的电压。因此采用可控整流电路比较好。
3.1.1整流/充电器主回路设计
本设计中的整流/充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路,电路图如下所示:
图3-2整流/充电器主回路电路图
3.1.2晶闸管的要求
控制电路是整流充电器的核心 因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入的控制 还是给蓄电池充、放电的控制 必须保证控制可靠、稳定、有序。因此对控制电路的要求如下:
(1)晶闸管的触发控制电路要输出与主回路电路相同步的触发脉冲。 (2)能调节整流输出大小,以满足对蓄电池充电的要求。
(3)保证整流输出的稳定,以利于逆变器和蓄电池的工作。 (4)整流器的起动要平稳,因而要控制起动速度限制起动电流。 (5)抑制过载电流,要有限流保护和过、欠压保护。
3.1.3滤波电抗器、电容及选用
(1)滤波电抗器L 的作用可归结为以下三个方面
1) 平波作用。整流电压里含有对逆变器和蓄电池不利的交流成分,利用
电抗器既能储存能量又能放出能量的特点,在电路中接入电抗器L 减小整流电压脉动程度,起到平波作用。 2)续流作用。当整流器的晶闸管控制角增大到一定值后,在某段时间内桥式整流电路中各元件均不导通,此时整流器输出电压为零,输出电压的波形出现了不连续,输出电流也就出现了不连续。这必将影响逆变器和蓄电池的供电连续胜。如果接入了电抗器L ,在这段时间内电抗器将通过续流二极管所提供的通路把它储存的能量释放出来,供给逆变器和蓄电池,形成导通回路,保证输出电流的连续性。
3) 限制短路电流上升率的作用。当直流侧发生短路时,直流回路中的电
流将猛然增大,危及晶闸管和硅整流元件如整流二极管。利用电抗器上电流不能突变的特点,在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率,从而起动保护整流器的作用。
(2)滤波电容C 电容C 是大容量、高耐压滤波电解电容 起平滑滤波作用。 (3) L 和C 的选用
设计直流滤波器所用L 和C 的大小根据整流/充电器的容量合理计算
这里我们根据经验来取值。
L --考虑电感量大小和电流 选1mH/600A。
C--考虑大小和耐压值 选6800uF /450V 两片。
3.2 逆变电路设计
析方便图3-2是采用IGBT 作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路,可以看成由三个半桥逆变电路组成。图3-2的直流侧通常只有一个电容就可以了,但为了分,画作串联的两个电容器并标出假象中点N ′。和单相半桥、全桥逆变电路相同,三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式,即每个桥臂的导电角度为180°,同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电,各相开始导电的角度依次相差120°。这样,在任一瞬间,将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂,也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行,因此也被称为纵向换流。
图3-3 逆变电路
对于U 相输出来说,当桥臂1导通时,
u UN ' =-U d 2
u UN ' =U d 2
,当桥臂4导通时,
。因此,
u VN '
u UN '
的波形是幅值为U d 2的矩形波。V 、W 两相的情况
u UN '
和U 相相似,
、
u WN '
的波形形状和相同,只是相位依次相差120°
u UV =u UN ' -u VN ' ?
?
u VW =u VN ' -u WN ' ?u WU =u WN ' -u UN ' ??
u UV
负载线电压、
u VW
、
u WU
可由下式求出
u UV =u UN ' -u VN ' ?
?(1)
u VW =u VN ' -u WN ' ? u WU =u WN ' -u UN ' ??
设负载中点N 与直流电源假象点N ′之间的电压为压分别为
u NN '
,则负载各相的相电
UN UN ' NN ' ?
?(2)u VN =u VN ' -u NN ' ?
u WN =u WN ' -u NN ' ??
把上式各式相加并整理可求得
11u =(u +u +u ) -(u UN +u VN +u WN ) (3)1111NN VN WN
3UN 3
u =u -u
设负载为三相对称负载,则有
u UN +u VN +u WN =0
,于是
1
u NN 1=(u UN 1+u VN 1+u WN 1) (4)3
u u U /6
所以NN 1也是矩形波,其频率为UN 1的3倍,幅值为其1/3,即d 。 三相逆变输出的电压与电流分析类似,负载参数已知,以U 相为例,负载的阻抗角ψ不一样,
i U
的波形形状和相位都有所不同,图2g 给出的事阻感负载下
i U ψ<π3的波形。桥臂1中的v>π3的波形。桥臂1中的v>
不能突变,小桥4中的VD 4先导通续流,待负载电流降为零,桥臂4中电流
u
反相时,V 4才开始导通。负载阻抗角ψ越大,VD 4导通时间越长。在NN 1>0时,
i U <>
u <0i>0i >0VD 4i <>
时为VD 1导通,U 时为V 1导通;在NN 1时,U 时导通,U
时为V 4导通。
i v
0i i
、w 的波形与U 形状相同,相位一次相差120。将三个桥臂电流相加可得
i i
到直流侧电流d 。把桥臂1、3、5的电流加起来,就可得到直流侧电流d 的波形,
如图2h 所示。可以看出,每隔60°脉动一次,而直流侧电压是基本无脉动的,因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的,且脉动的情况和
i d
脉动情况
大体相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。
3.3旁路电源
旁路电源是UPS 不间断电源不可缺少的部分,它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成) 来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒,不能满足不间断供电的要求,而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒,因此
可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。
图 3-4 旁路电源转换开关
第四章 心得与体会
在此次设计中,我们小组成员都很积极,为了实现其功能,我们查阅了相关书籍,并且在我们的探讨与研究中找到正确的方法。此次设计最让我们领悟到了光学知识,光会做题是没有用的,也没有完全体现学习知识的意义,知识在于实际应用,实践是检验真理的唯一标准。虽然这学期电力电子技术这门课我们刚上完,所以对这次课程设计来说还算是趁热打铁,我将我所学的知识通过这次课程设计得到了升华。但是在知识的实际应用中我不断发现了自己的不足,通过这次设计,让我全面系统的复习了电力电子技术这门学科,也使我对其在实际生活中的应用有了更深的了解;为了完成设计,我必须查阅许多相关资料,这也使我增长了知识面,学习到了教材书上很多没有讲到的内容。另外,为了实现各单元电路的设计,必须熟练应用各种软件作出电路图来实现相应功能的模拟,这样也让我进一步熟悉相关软件的操作,比如Protel99SE 、EWB ,Word 等。
像以前的课程设计一样,此次课程设计也让我受益颇深,领悟颇多。在此,我要感谢我们小组的每个成员付出的努力,使我们这次课程设计进行的很顺利,通过本次课程设计,让我学到了许多书本之外的东西,我认为这是一次很有实际意义的课程设计,一次个人实践能力的进一步突破。我喜欢它给我带来的这种快乐。希望在这次课程设计的基础上能将以后的各种设计做的更好,更完善。
参考文献
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[13] 陈治明,电力电子器件,机械工业出版社,1992
[14] 王其英,何春华编著,新型UP S 工作原理与实用技术及选购指南,2006
7、答辩记录及评分表
范文二:不间断电源设计
不间断电源设计
0933班
杨龙
指导教师 李精志
目录
序言
随着计算机的普及和信息处理技术的广泛应用,不间断电源UPS在关键负载连接至公共电网方面扮演着重要角色。它们旨在为处于任何正常或异常实用电源条件下的负载提供清洁、持续的电源。德州仪器(TI)TMS320F28335 DSP为在线UPS设计提供增强的、经济高效的解决方案,可以高速执行多种控制算法,从而使实现高采样速率成为可能
UPS是Uninterruptible Power Supply的缩写,在电源发生故障时,
UPS能够给计算机继续供电。
连接在计算机和电源之间以保证电流不受干扰的设备。UPS 设备
使用电池保持计算机在断电之后仍能正常运行一段时间。UPS 设备通
常对电压过大和电压太低都提供保护。(UPS)
不间断电源(UPS),在停电时,为计算机或其它设备继续提供电源。
UPS可以是下面的一种:
电池系统。
旋转UPS,它利用一个大飞轮的惯性来为计算机提供短暂电源。
运行AC发电机的内燃马达。 山特 A 系列 UPS
UPS设备有两种类型:联机和旁置。旁置设备只在电源没电时才启动。因此,它必须有可在5微秒内启动它做后援电源的电路。联机设备固定地为计算机提供电源。由于这一特点,它不需要在没电时才打开。如果外面的电源坏了,这个部件内的电池还继续向计算机提供电力。虽然联机UPS是最好的选择,但比旁置UPS要昂贵得多。然而由于联机部件对计算机提供恒定的电力,所以这种电力总是稳定的。
当购买电池后援系统时,需要对下面设备有些了解:
这个UPS电池可以提供电力的时间。
当UPS是在后缓电力操作时,UPS是否向服务器提供
警告系统。
这个UPS有无消除外来瞬变嗓音的电力调节功能。
电池的寿命和它随着时间如何降级。
电池不再提供后援电力时,这个设备能否警告你。
这些电池是否可换。
还需知道准备安装UPS的设备电力需求情况。对于服务器, 可能
安装CPU(和其它附加设备)、监视器、外部路由器、集线器和布线 德国Piller不间断电源UPS 中心。可以通过查看这些设备的后板来发现它们的电力需求。UPS的性能主要用伏安(VA)来衡量,它是指线路的电压乘以电流(安培)。需要把所有连接到这个UPS的设备的电力需求加在一起,然后购买一个可以处理负载的UPS。首先查得这个设备后板上的安培数,并乘以电压值(在美国通常是120伏特),然后将每个设备的这个数字加在一起,并选择一个合适的UPS。
连接到文件服务器的UPS通常需要一条附加电缆,当UPS在后缓电力工作时,通过这条电缆警告文件服务器。然后,服务器就必须在一定时间内进行下载过程。这个监督器电缆的一端需要有一个立体声插头(为插进旁边的UPS监督器板或一个非PS/2文件服务器的SS键卡)或一个4针鼠标插头(为插入一个PS/2文件服务器的鼠标端口)。这个监督器电缆的另一端需要具有选择的特定UPS所需类型的连接器。
一些厂商已经为他们的电力保护设备开发了一些高级功能。美国电力转换公司的Smart-UPS系列,通
过一种称为PowerChute的软件控制程序,向网络管理人员提供了诊断信息。这个软件是安装在服务器上的,并通过一条电缆与该UPS进行通信。然后,管理人员就可以跟踪电力质量、UPS操作温度、线路频率、UPS输出电压、最大和最小线路电力、电池强度、线路电压和UPS负载。美国电力转换公司(American Power Conversion)在Kingston,Rhode Island
不间断电源的组成
UPS电源系统由4部分组成:整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的,整流器件采用可控硅或高频开关整流器,本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能,从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求),输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成,由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除,整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外,对整流器来说就像接了一只大容器电容器,其等效电容量的大小,与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的,即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰,起到了净化功能,也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成,频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护,设计了系统工作开关,主机自检
不间断电源
故障后的自动旁路开关,检修旁路开关等开关控制。
在电网电压工作正常时,给负载供电如所示,而且,同时给储能电池充电;当突发停电时,UPS电源开始工作,由储能电池工给负载所需电源,维持正常的生产(如粗黑?所示);当由于生产需要,负载严重过载时,由电网电压经整流直接给负载供电(如虚线所示)。
UPS电源系统主要分两大部分,主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分,并与负载属那种性质有关,因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同,通常负载功率应满足UPS电源70%的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短,这个时间因各企业情况不同而不同,主要由备用电源的接入时间来定,通常在几分钟或几个小时不等。莱钢中小型棒材生产线因生产需要不允许断电,因此,UPS电源系统在检测到电网电压中断后,可自行启动供电,且随着储能电池慢慢放电,储能电池的容量随着时间会逐渐降低,考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50,并留有一定的余量,UPS电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时,半容量为1小时。
工作原理
AC-DC变换:将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压,供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。
DC-AC逆变电路:采用大功率IGBT模块全桥逆变电路,具有很大的功率富余量,在输出动态范围内输出阻抗特别小,具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术,及快速短路保护技术,使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路,均可安全可靠地工作。
控制驱动:控制驱动是完成整机功能控制的核心,它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外,还完成SPWM正弦脉宽调制的控制,由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。
AC-DC变换:将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压,供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。
DC-AC逆变电路:采用大功率IGBT模块全桥逆变电路,具有很大的功率富余量,在输出动态范围内输出阻抗特别小,具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术,及快速短路保护技术,使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路,均可安全可靠地工作。
控制驱动:控制驱动是完成整机功能控制的核心,它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外,还完成SPWM正弦脉宽调制的控制,由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。
编辑本段电源工作过程
当市电正常380Vac时,直流主回路有直流电压,供给DC-AC交流逆变器,输出稳定的220Vac交流电压,同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电,则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时,不间断电源发出声光报警,并在电池放电下限点停止逆变器工作,长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能,当发生超载(150%负载)时,跳到旁路状态,并在负载正常时自动返回。当发生严重超载(超过200%额定负载)时,不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态,此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后,只要合上开关,重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源充分工作,避免在过载或欠载下运行,电源在开机前,首先计算负载容量。FR-UK型不间断电源(标称额定功率)80%的阻性负载设计负载能力。
在一个UPS 电源中,是依靠蓄电池储能,蓄电池可以说是这个电源系统的支柱,UPS 电源之所以能够实现不间断电,就是因为有了蓄电池,在市电中断时,逆变换器能将蓄电池的电能转换成交流电能输出去,逆变器能将蓄电池的电能转换成交流电能输出送出去,为其他用电设备继续提供电力。蓄电池除具有以直流电的形式储存电能的功能外,对整流器来说就像接了一只大容量电容器,其等效容量的大小,与蓄电池容量大小成正比。我们知道电容两
端的电压是不能突变的,即可以利用蓄电池对整流器输出中含有的脉冲的抑制性和平滑性消除脉冲干扰,起到了电源净化功能。UPS 电源额定输出功率的大小主要取决于主机部分,但也与负载性质有关, 因为UPS 电源对不同性质的负载驱动能力不同,一般负载功率应不大于UPS 电源额定功率的70%。选择蓄电池容量时应根据负载功率和提供后备电力时间的长短而定,这些因素各单位情况不尽相同,要综合考虑。要注意的是由于蓄电池的容量会随着使用时间的增加逐渐降低, 因此选择时必须保留一定的余量。开关控制则包含逆变换器输出静态开关、旁路静态开关、维修旁路开关。
工作方式
1、 正常运行方式
不断电系统的供电原理是当市电正常时,机器会将市电的交流电转换为直流电,而后对电池充电,以备电力中断时使用;这里跟各位强调的是不断电系统并不是停电时才会动作,像是遇到电压过低或过高、瞬间突波等,足以影响设备正常运转的电力品质时,不断电系统均会动作,提供设备稳定且干净的电力。
当市电正常供电时,市电经滤波回路后,分为两个回路同时动作,其一是经由充电回路对电池组充电,另一个则是经整流回路,作为逆变器的输入,再经过逆变器的转换提供电力给负载使用;由此可知,在线式不断电系统的输出完全由逆变器来供应,因此不论市电电力品质如何,其输出均是稳定而不受任何影响。
2、电池工作方式
一旦市电发生异常时,将储存于电池中的直流电转换为交流电,此时逆变器的输入改由电池组来供应,逆变器持续提供电力,供给负载继续使用,达到不断电的功能。UPS不间断电源系统的电力来源是电池,而电池的容量是有限的,因此不断电系统不会像市电一般无限制的供应,所以不论多大容量的不断电系统,在其满载的的状态下,其所供电的时间必定有限,若要延长放电时间,须购买长时间型不断电系统。
3、 旁路运行方式
当在线式UPS超载、旁路命令(手动或自动)、逆变器过热或机器故障,UPS一般将逆变输出转为旁路输出,即由市电直接供电。由于旁路时,UPS输出频率相位需与市电频率相位相同,因而采用锁相同步技术确保UPS输出与市电同步。旁路开关双向可控硅并联工作方式,解决了旁路切换时间问题,真正做到了不间断切换,控制电路复杂,一般应用在中大功率UPS上。如果在过载时,必须人为减少负载,否则旁路短路器会自动切断输出。
4、 旁路维护方式
当UPS进行检修时,通过手动旁路保证负载设备的正常供电,当维修操作完成后,重新启动UPS, UPS 转为正常运行。极低的维护率,MTTR为15万小时,极大地提高UPS不间断电源可用性。 功能
UPS( Uninterruptible Power System ),即不间断电源,是一种含有储能装置
不间断电源
,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时,UPS 将市电稳压后供应给负载使用,此时的 UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池
的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。 UPS作为保护性的电源设备,它的性能参数具有重要意义,应是我们选购时的考虑重点。市电电压输入范围宽,则表明对市电的利用能力强(减少电池放电)。输出电压、频率范围小,则表明对市电调整能力强,输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性,而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时,输出电压的稳定性。 还有UPS效率、功率因数、转换时间等都是表征UPS性能的重要参数,决定了对负载的保护能力和对市电的利用率。性能越好,保护能力也越强,总的来说,离线式UPS对负载的保护最差,在线互动式略优之,在线式则几乎可以解决所有的常见电力问题。
选用原因
据IDC统计,全部电脑故障的45%是由电源问题引起的;在中国,大城市停电的次数平均为0.5次/月,中等城市为2次/月,小城市或村镇为4次/月,电网存在至少九种问题:断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰;因此从改善电源质量的角度来说给电脑配备一台UPS是十分必要的。
另外,精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的,以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的,即使是一台普通电脑,其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值,因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。
注意事项
1)UPS的使用环境应注意通风良好,利于散热,并保持环境的清洁。
2)切勿带感性负载,如点钞机、日光灯、空调等,以免造成损坏。
不间断电源
3)UPS的输出负载控制在60%左右为最佳,可靠性最高。
4)UPS带载过轻(如1000VA的UPS带100VA负载)有可能造成电池的深度放电,会降低电池的
使用寿命,应尽量避免。
5)适当的放电,有助于电池的激活,如长期不停市电,每隔三个月应人为断掉市电用UPS带负载放
电一次,这样可以延长电池的使用寿命。
6)对于多数小型UPS,上班再开UPS,开机时要避免带载启动,下班时应关闭UPS;对于网络机房
的UPS,由于多数网络是24小时工作的,所以UPS也必须全天候运行。
7)UPS放电后应及时充电,避免电池因过度自放电而损坏。
范文三:不间断电源设计
学院
毕 业 设 计
不间断电源设计
系 别:
专 业 名 称:
学 生 姓 名:
学 号:
指导教师姓名、职称:
完成日期 200 年 5月 7日
学院本科毕业论文(设计)开题报告
选 题 一款UPS电源的设计
院 系 专 业
学生姓名 指导教师
本选题的意义及国内外发展状况:
当前,数字革命和网络经济正席卷全球。随着各种信息系统在各个行业的应用,更带动了不间断电源(UPS)的迅猛发展。作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的一个重要因素,电源质量的可靠性应当成为中小企业、学校等首要考虑的问题。UPS(Uninterruptable Power System)是不间断电源的意思,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源,主要用于给服务器、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。不间断电源从计算机的外围设备,一个不受重用的角色迅速变成为互联网的关键设备及电子商务的保卫者。UPS作为信息社会的基石,已开始了她新的历史使命。随着国际互联网时代的到来,对电力供电质量提出了越来越高的要求,无论是整个网络的设备还是数据传输途径给以端到端的全面保护,都要求配置高质量的不间断电源。
随着新技术不断地被开发出来和在实践中的逐步应用,可以预见:今后UPS电源将向着高频化、智能化和网络化。
高频化:虽然传统在线式的技术已经非常成熟,但由于它本身带有许多无法突破的问题,使其发展前途受限。高频化概念的引入,给UPS的发展带来了许多新的思路和空间,随着高频技术和器件的发展,3KVA及以下的高频在线式UPS的技术和产品已经成熟,其功能和可靠性均应高于传统UPS,高频化对于减小体积、降低成本,以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用。
智能化:微处理器在UPS上的应用,过去只在大、中型UPS上来用,近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展,其结果是UPS的智能化发展,包括控制、检测、通信。UPS逐渐由计算机管理,并且计算机及外设能“自主”应付一些可能预见到的问题,能进行自动管理和调整,并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员,便于进行远程管理。
网络化:把UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切,因为它是网络能正常运行的基础。要求UPS拥有更大的蓄电量、可以同时为多台计算机或其它外设服务,并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置。
研究内容:
设计一款输出正弦波的在线式不间断电源,其功能为在市电正常情况下,市电入经输入隔离变压器整流后变为直流电,该直流电经逆变器转换为高质量的正弦交流电向负载供电,若市电失电时,自动由蓄电池向逆变器提供直流电源,逆变器将蓄电池所提供的直流电转换为交流电,继续向负载提供电源。市电恢复时,自动转为市电整流后逆变供电,同时,对蓄电池进行充电。若市电正常逆变故障时,则自动通过输出切换开关切向电子旁路不间断地向负载供电,等故障排除后又恢复至逆变供电。
该不间断电源主要由电子旁路、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、输出切换电路、DSP控制及保护电路、电池电路、单片机检测监控等电路组成。
研究方法、手段及步骤:
1 不间断电源系统基本概述
主要从系统总图、单片机PIC17C43、逆变器电路、硬件保护电路四部分对不间断电源UPS的原理,组成进行初步的介绍。
2 不间断电源硬件设计
包括单片机电路、输入保护电路、电池电路及逆变器电路四部分。重点介绍单片机电路及电池电路。单片机是整个不间断电源的控制部分,控制着整个电源的运行、电路切换、电路检测及调整。电池电路是不间断电源的心脏,电池的选用、电池充电器的设计、电池升压电路的控制,都将决定整个不间断电源输出电源的质量和使用寿命。
3 单片机程序设计
作为单片机的控制核心,程序主要由电路检测、电路调整两大块组成。检测程序不间断的对电源电路扫描检测;当电源电路出现异常时,调整程序将被激活,对电路电压电流进行调整,使不间断电源的输出始终保持在一个稳定的范围内。 参考文献:
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不间断电源设计
摘 要
随着微型计算机应用的日益普及及信息处理技术的不断发展,对电网供电质量提出了更高的要求。一是要解决市电中断或时变对计算机等负载产生的不良影响,二是要保证输出优质的正弦波。因此,引入了一种新型的不间断电源技术(Uninterruptible Power
System,简称UPS)。
UPS是一种含有蓄能的装置(常用蓄电池蓄能),以逆变器为主要组成部分的恒压,恒频电源设备,主要用于给计算机,计算机网络系统或其他电力设备提供不间段的电力供应。当市电正常时,UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后供给负载使用,此时,UPS就是一台交流稳压器,同时还向机内的蓄电池充电。当市电发生中断等情况时,UPS立即将电池的电能通过逆变转换的方法向负载继续供电,使负载维持正常的工作,并保护负载,硬件不受损坏。
UPS是一种向负载提供不间断,优质,高效,可靠的交流电能,并且具有保护和监视监控功能的供电设备。UPS对于计算机及其网络,通信,金融,电力,交通,国防及高等院校,科研院所等部门的供电起着关键的作用。
关键词:不间断电源;整流;恒频电源
Uninterruptible
Power Supply Design
Abstract
The increasingly popularization reaches constantly developing of information processing technology along with what the microcomputer was applied, and the power supply quality was put forward the higher requirement to the electrical network. Be to solve local junction circuit interrupt or harmfully influence that the trend change of the times is given rise to to computer etc load, and secondly will pledge the sine wave to send out the high quality.Therefore it is new than being disconnected the power supply technology ( Uninterruptible Power System, is called for short UPS) to lead one kind.
UPS is the one kind of device ( storage battery in common use stores up the ability ) that contains to store up the ability, and becoming the permanent pressure that the ware is the major component with contrary, the permanent frequency power equipment is chiefly used to the computer, the power supply of section between computer network system or others’ electric power equipment provides not. When the local junction circuit often, supplying the load use after UPS passes through the local junction circuit rectification against becomes the ware or directly the steady pressure, this moment, UPS is one Taiwan AC voltage regulator, and the at the same time still storage battery to the machine is charged. Occurring interrupt etc when the local junction circuit during circumstances, UPS’s immediately
electric energy with the battery by way of contrary becomes the method changed and continues supplying power to the load, and making the green work of load keeping, and protects the load, the hardware is not received damaging.
The UPS is one kind provides not being disconnected to the load, the high quality, and high efficiency, the fail-safe alternating current ability, and possesses that the protection and the supervision supervises the power supply of function equipment. UPS is as for computer and his cross-domain communication, and communicating by letter, the key effect is being taked in the power supply of the department that the scientific research courtyard waits to the traffic to power to finance to national defence and colleges and universities.
Keyword:Uninterruptible Power Supply;commutate;Rectifier
III
目 录
摘 要 ...................................................................................................................................... II
ABSTRACT ................................................................................................................................. III
前 言 ....................................................................................................................................... 1
第一章 系统概述 ...................................................................................................................... 3 1.1 系统总述 ......................................................................................................................... 3 1.2 单片机概述 ..................................................................................................................... 3 1.3 逆变器概述 ..................................................................................................................... 4 1.4 硬件保护概述 ................................................................................................................. 4 第二章 硬件综述 ...................................................................................................................... 6 2.1 单片机 ............................................................................................................................. 6
2.1.1 传统模拟集成电路 .................................................................................................. 6
2.1.2 PIC17C43引脚参数 ................................................................................................. 7
2.1.3 PIC17C43性能......................................................................................................... 7 2.2 输入功率保护 ................................................................................................................. 7 2.3 电池电路 ......................................................................................................................... 8
2.3.1 电池电路实现 ......................................................................................................... 8
2.3.2 电池电路控制 ......................................................................................................... 8
2.3.3 电池选用 ................................................................................................................. 8
2.3.4 电池充电电路要点 .................................................................................................. 9 2.4 逆变器 ............................................................................................................................. 9
第三章 软件综述 .................................................................................................................... 10 3.1 系统软件流程 ............................................................................................................... 10 3.2 电路调整程序流程 ....................................................................................................... 11 结束语 ..................................................................................................................................... 12
附录 ......................................................................................................................................... 13
附录一: 系统规格 ............................................................................................................. 13 附录二: 系统程序软件清单 .............................................................................................. 13 附录三: 系统电路图 ......................................................................................................... 18
1 电池升压电路 ............................................................................................................... 18
2 功率因素校正电路 ....................................................................................................... 20
3 逆变器控制电路 ........................................................................................................... 21
4 逆变器驱动电路 ........................................................................................................... 23 参考文献 ................................................................................................................................. 25
致 谢 ..................................................................................................................................... 26
前 言
在科学技术日益发展的今天,现代化的工业控制设备、通信装置及科研实施等都将以电子计算机、具有微处理器的监控设备等为核心。而这些器件是一种精密电子设备,大部分都需交流供电,且他对交流电源的供电质量、可靠性和连续性(不间断)等都有严格的要求,要求供电间断时间不得大于25%的工频周期。市电的电压波动、脉冲干扰和突然中断,将会导致随机存储器数据丢失和程序破坏,造成极坏的后果。特别是在金融、通信和电力部门等,对市电的要求更加严格。
为了解决以上问题,各种各样的不间断逆变电源(简称UPS)都相继出现。并且成为各系统必不可少的配套设备。因它具有稳压、稳频、滤波和抗干扰等功能,更重要的是在交流断电时能不间断的继续输出交流正弦波,所以UPS在各系统中的作用是可想而知的。
最早的UPS现在看起来是个非常古怪的东西:采用了非常原始的机械储能方式,是带有一个大飞轮的电动机——发电机组,在发电机上带有一个数吨重的飞轮,市电停电后该发电机可以维持正常供电数秒钟。现代的逆变式UPS问世后,在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲,它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、 从常规延时(分钟级)到长延时(小时级)、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。随着蓄电池和半导体技术的发展,其控制电路也发展很快,由开始的立分元件的简单控制发展到今天的微处理机控制,由硬件控制又发展成软件控制,如软件滤波器;甚至光纤通讯也被引入UPS,而且,微处理机也已被广泛应用于小容量的UPS中,甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机,以保持电池的最佳状态。
随着计算机网络结构的扩展,现在在网络中应用的UPS不再只是单纯的电源设备,而逐步成为整个网络中电源的管理中心,UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多种新技术, UPS不仅是提供不间断电源的工具,而且当作为负载的设备在无人值守时,当市电故障后,UPS可以按照事先的约定顺序关机,甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的UPS与服务器上的软件协同工作,还能实现事件记录、故障告警、UPS参数自动测试分析、调节等多项功能,提供了完全的电源管理解决方案。现在有些UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。
目前市场上已经有不同类型的UPS,按UPS的工作方式可分为后备式、在双变换在线式、在线互动式三大类。
1、后备式UPS电源
它是静止式UPS的最初形式,应用广泛,技术成熟,一般只用小功率范围,电路简单,价格低廉。这种UPS对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有任何改善;
2、在线互动式UPS电源
也称为3端口式UPS电源,使用的是工频变压器。从能量传递的角度来考虑,其变压器
1
在3个能量流动的端口;端口1连接市电输入,端口2通过双向变换器与蓄电池相连,端口3输出,市电供电时,交流电经端口1流入变压器,在稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头拉入,同时在端口2的双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节端口3上的输出电压,以此来达到比较好的稳压效果。当市电掉电时,蓄电池通过双向变换器经端口2给变压器供电,维持端口3上的交流输出。在线动式UPS电源在变压器抽头切换的过程中,双向变换器作为逆变器方式工作,蓄电池供电,因此能实现输出电压的不间断。
3、双变换在线式UPS电源
它是属于串联功率传输方式。当市电存在时,实现AC,DC转换功能,一方面向DC-AC逆变器提供能量,同时还向蓄电池充电。该整流器多为可控硅整流器,但也有IGBT,PWM,DSP高频变换新一代整流器。当逆变时,完成DC-AC转换功能,向输出端提供高质量电能,无论由市电供电或转向电池供电,其转换时间为零。当逆变器过载或发生故障时,逆变器停止输出,静态开关自动转换,由市电直接向负载供电。静态开关为智能型大功率无触点开关。
UPS的智能化还表现在加强UPS的节能功能即所谓“绿色UPS”上。“绿色UPS”可以减少PC系统使用的电能量,既降低了费用又保护了环境。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时,UPS可以马上给打印机恢复供电,随着“绿色UPS”的出现,为节约能源又提供了理想的解决方案。
本文介绍的是输出为纯净正弦波的在线式不间断逆变电源的设计。
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第一章 系统概述
1.1 系统总述
不间断电源的系统结构如图一所示,它由AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、输出切换电路、单片机监控电路及硬件保护电路组成。AC/DC整流电路将市电整流成逆变所需的直流电压;DC/AC部分主要是把直流转变成交流;输出切换开关是利用单片机根据不同的情况切换继电器,使其不间断的输出。
当UPS正常工作时,输入电源经输入电源保护模块,保护电路免受电网上各种无法预料的干扰和高能浪涌的损害。接着电源在电源因素补偿与整流模块中转换为正弦波,这使得电源利用更有效率,同时,该模块矫正输入交流电源产生的电压。矫正交流电通过电池升压电路产生直流电压。电池升压电压设定略低于
纠正交流输入电压,因此,在正常情况下,矫正交流电源直接供给负载使用。一旦纠正交流输入电压低于电池升压直流电压(即市电欠压),则由电池组放电所提供的能量继续向负载提供高质量的电源。在这过程中电池是停止充电的,以免对电池造成额外负载。断路器作用是连接/切断直流总线和逆变器,直流电压从断路器出来经输出过滤滤去开关噪声。
图1 系统结构总图
1.2 单片机概述
单片机PIC17C43通过硬件保护电路和绝缘门双极型晶体管(IGBT)控制逆变器。输出
3
过滤电路过滤输出交流正弦波,供给负载试用,这交流正弦波与输入交流电压是同步的。 所有模块同步,控制和故障检测处理都需通过PIC17C43 。
1.3 逆变器概述
逆变器作用是产生周期性的一正一负的电源负载所需的正弦波。PIC17C43控制的所有硬件保护电路和IGBT驱动器的信号,从而控制代正弦波,如图2。
图2 变频电路
1.4 硬件保护概述
硬件的保护逻辑是当IGBT以任何情况出现饱和是,逆变器立即被禁用,即使只是一个外部短路,也有可能烧毁H-桥。此功能可以防止负载端因过载或短路而立即摧毁开关器件。
在没有外在饱和信号(Q9/Q10/Q11/Q12 OC Alarm)为低电平时,功率级才会启动。当单片机PIC17C43处于供电状态时,激活线路将处于高阻抗状态。下拉式电阻器试激活线路保持着低电平,使得任何乱真信号都会让系统初始化进而不会驱动H-桥。如果任何一个外在饱和信号转到低电平,故障信号转为高电平,即为有一个外部故障报告给PIC17C43,此时H-桥会被禁用。
正常运行时(故障端低电平,激活端高电平),Q9,Q10,Q11,Q12的状态由POS_NEG,脉
4
宽调制(PWM)发出的导向逻辑信号决定。表1为不同POS_NEG 、PWM输入值时的驱动器的值。
表1 逆变器控制信号
晶体管驱动器的信号反馈到IGBT驱动集成电路,以确定每个晶体管的状态。驱动器的信号为“1”,对应一个IGBT的则被关闭,一个驱动器的信号为“0”,对应的IGBT则导通。通过表1可以看出,当POS_NEG信号为“0”时,Q10导通,Q12关闭,而Q9、Q11的调制则以相辅相成的方式用于PWM信号。同样,当POS_NEG信号为“1”时,Q9导通,Q11关闭,Q10、Q12的调制则以相辅相成的方式用于PWM信号。因此,逆变器所发出不同的输出信号的平均值正比于占空比的PWM信号和极性所规定的POS_NEG信号。输出过滤器使这些脉冲序列和所有仍然是平均值的PWM信号变平滑(如图3)
图3 逆变器波形
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第二章 硬件综述
本节叙述UPS硬件和系统是如何运作的。
2.1 单片机
2.1.1 传统模拟集成电路
图4是一个传统的模拟集成电路,该种设计方法较为成熟,稳定性好,但电路较复杂,调试极不方便也极不灵活,且无法适应现代数字技术(如并机等)的要求。通过使用单片机,这种设计可以大大简化。也就是说,直流偏移放大器信号、故障放大器信号、PWM驱动器信号都可用软件来进行处理。
图4 传统的模拟集成电路
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2.1.2 PIC17C43引脚参数
图5是单片机PIC17C43的引脚参数。
图5 PIC17C43引脚参数
2.1.3 PIC17C43性能
PIC17C43高性能的哈佛结构,产生的高质量正弦波完全能满足本设计的需求。单周期乘法意味着有更快的程序执行速度和波形变化响应。精简指令集,仅58条单字指令,易学易用,减少了开发时间和需要组成部分。增强芯片的内核特性,具有16级硬件堆栈,多个内\外中断源,以及特有的8×8位的乘法器。PIC17C4X独特的特性不仅简化外部电路和功耗,更重要的是增加了系统的稳定性(可靠性)正是由于具有高速处理特性,强大的外围特性,灵活的I/O操作以及低功耗使得PIC17C43在深层控制领域得到更为广泛应用。 2.2 输入功率保护
输入滤波电路给UPS提供输入保护,主要包括电路MOV和共模滤波器。电路MOV用来保护电路不受来自市电的瞬态尖峰信号或过压的损害, MOV具有对称的电压-电流曲线,能防止由突然断电引起的双向瞬变。共模滤波器用于防止UPS的开关噪声对电路的损害。在UPS电源的整流滤波器的控制电路中引入了“输入功率因数校正电路”,从而可确保进入整流器的输入电流和输入电压保持着良好的相位一致关系,这对提高市电电网的利用率是十分有利的。
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图6 输入滤波保护电路
2.3 电池电路
2.3.1 电池电路实现
UPS的机内配置有由蓄电池组?DC/DC直流变换器所组成的后备直流电源供电系统。因此,在UPS电源的运行中,如果遇到市电电源出故障(输入电压过高或过低)或市电供电中断时,在微处理器的控制下,DC/DC直流变换器将立即投入运行,从而将蓄电池的相对较低的直流端电压提升到完全符合逆变器输入端所要求的电源v1的电平上。利用这样的DC/DC变换技术,可以确保从UPS所输出逆变器电源永远都是处于不间断地向用户的负载供电的局面。在此条件下,用户完全不需要考虑电网供电到底是否正常。 2.3.2 电池电路控制
UC3825高速PWM集成控制芯片作为电池升压电路的核心用于控制电池充电电路的正常运作。UC3825最高开关频率可达1MHz,单电源供电,双路调制输出的集成芯片,主要用于高频中小容量开关电源。特别注意通过比较器和逻辑电路最大化带宽和误差放大器的转换速率,以尽可能减少传播延迟。
2.3.3 电池选用
UPS容量的选择是一个很重要的问题,选大了,大马拉小车,造成投资过大,资源浪费。选小了则不能满足设备的全部要求。因为计算机均为非线性负载,其功率因数在0.6—0.7之间。在UPS容量的选用中,先计算设备的负载容量,从而得出UPS的额定输出容量:S=n.m.p,式中,S为UPS容量;p为实际负载功率;n为UPS安全系数,一般为1.2—1.5; m为余量系数,通常为1.15—1.2。UPS最大启动负载应控制在UPS额定输出功率的80%以内,实践证明,UPS将其负载控制在30%—70%以内为最佳方式。UPS容量选择过大或过小都会对UPS产生不良影响,容量过大,过度轻载,虽然降低了逆变器的损坏概率,但也可能造成市电停电时蓄电池放电电流小,放电时间偏长,因而造成蓄电池深度放电,造成电池组永久损坏。而容量过小,虽然节约一部分资金,但UPS长期处于重载状态,输出波形发生畸
8
变,也容易造成逆变器的损坏。因此,UPS的选择对于提高UPS的工作效率,改善UPS的工作状况是非常重要的。
2.3.4 电池充电电路要点
在停电恢复后,给停止放电的蓄电池充电的电流不宜过大。
整流电路不要直接与蓄电池相连。充电电流流经电阻,停电时的放电电流进二极管流向逆变器。由充电器的输出电压Vo、蓄电池的端电压VB及限流电阻RB,求得充电电流ICH为:
V,VOBI, CHRB
因此,在充电过程中,电流自ICH逐渐减小,最终转入微电流补充充电。 2.4 逆变器
在UPS电源的逆变器中,采用高频(20khz,40khz)正弦脉宽调制(spwm)技术,从逆变器所输出的正弦波电源具有非常标准的正弦波形。这就意味着,在逆变器电源中所包含的谐波很少,具有输出波形失真度很小的优良特性。目前所生产的UPS电源都能达到如下输出波形失真度指标:带线性负载时,其波形失真度为1,,2,,带峰值比(crest ratio) 3:1的非线性 负载时,其波形 失真度小于5, (注:计算机型负载的峰值比为2.6:1左右)。
UPS实质上是将来自市电电网的低质量的交流电源经整流滤波器AC/DC变换成直流电源,然后再经逆变器执行DC/AC变换重新变成正弦波电源,这样就可完全消除掉来自市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰可能产生的任何影响。正是基于这点,UPS的逆变器电源才可向用户提供这种无干扰的高质量的纯净正弦波电源。
逆变器是UPS中,输入直流电源、输出交流电源的部件总称。综上所述,我们可以看出,从UPS的逆变器所输出的高质量正弦波电源,是一般市电电网的电源不能与之相比的。
9
第三章 软件综述
3.1 系统软件流程
本UPS系统软件流程图如图7所示。其主要软件功能有寻找过零点和计算输入频率。该程序清单在附录中。
图7 系统软件流程图
该系统通过周期性扫描,检测电路中是否有异常情况(如电压电流过高)出现并适当给予标记。当电路中出现异常情况时,系统自动跳转至电路调整程序,通过脉宽调制(PWM)电路控制逆变器,及时调整交流输出波形,阻止因输出电压电流过高烧坏负载的情况发生。
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3.2 电路调整程序流程
电路调整程序流程如图8所示。程序接收系统标记信号,将读取电压、电流值传送给单片机PIC17C43,根据所接受的电路电压、电流值,单片机计算直流偏移量,通过控制脉宽调制(PWM)、电池升压等电路,将电压、电流控制在安全范围。
图8 中断处理流程图
11
结束语
经过这次毕业设计,我觉得自己学到了不少东西。归纳起来,主要有以下几点:
1、大学三年多的时间都是在学习电子电路理论基础知识,很少真正地去应用和实践。虽然经历过学校组织的课程设计,如稳压电源、收音机、汽车遥控防盗,但是经过这次毕业设计,我接触到了更多平时没有接触到的知识,发现了自己很多不足之处,充分体会到了所学理论知识的重要性。在设计过程中,我对以前所学的知识进行了回顾总结,进一步消化巩固。
2、学会了怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知识大多比较陈旧,作为电子信息类专业的学生,由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新通信资料。一个人不可能什么都学过,什么都懂,因此,当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时,就要去有针对性地查找资料,然后加以吸收利用,以提高自己的应用能力,而且还能增长自己见识,补充最新的专业知识。
3、了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。我经过这次系统的毕业设计,熟悉了对一项课题进行研究、设计的详细过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。
12
附录
附录一: 系统规格
AC输入:220V AC?10%,50/60 Hz ? 3Hz
UPS输出:220V AC?10%,50/60 Hz ? 3Hz,正弦波
附录二: 系统程序软件清单
/***************************************************************************** * Filename: MAIN.C
****************************************************************************** * Author: Dave Karipides
* Company: APS, Inc.
* Date: 3-3-97
* Compiled Using MPLAB-C Rev 1.21
*
****************************************************************************** *
* Include Files:
*
****************************************************************************** *
* Description: The main routine calls all the functions for generating * an OPEN_LOOP or FEEDBACK sine wave of either 50 or 60 Hz.
*
****************************************************************************** *
* Revisions:
* 3/3/97 Added FEEDBACK LOOP
*
*
******************************************************************************/ /***************************************************************************** * main()
*
* Description: The main routine initializes the registers and loops * forever. All control is handled in the TMR0 INT
* routine.
*
13
*
* Input Variables: NONE
*
* Output Variables: NONE
*
*
******************************************************************************/
//#define OPEN_LOOP
#define FEEDBACK
//#define 50Hz
#define 60Hz
#pragma option v
#include <17c43.h>
#include #include #ifdef OPEN_LOOP // This table yields Full VRMS input unsigned char const pwmtab[32]={0,25,50,74,98,120,142,162,180,197,212, 225,235,244,250,254,255,254,250,244,235, 225,212,197,180,162,142,120,98,74,50,25}; #endif #ifdef FEEDBACK // This table yields slightly less than Full VRMS input unsigned char const pwmtab[32]={0,20,40,60,79,97,114,131,145,159,171, 181,189,197,202,205,206,205,202,197,189, 181,171,159,145,131,114,97,79,60,40,20}; #endif long read_ad(unsigned char); // Prototype for A/D converter function unsigned char index; // Index into the sinewave reference table unsigned char sign; // Flag used to unfold sinewave reference table long reference; // Value of the sinewave refrence after unfolding unsigned char reference_lo @ reference; // V1.21 of Compiler does not type cast unsigned // char to long so we will write to low byte separately long out_volt; // Magnitude of the output voltage; long y; // Variables used in compensation routine long yold; long x; long xold; long ad_value; // A/D Converter Value void main(void) { CLRWDT(); PORTC = 0; // Zero out portc latches DDRC = 0x22; // Set up Data direction register for C 14 DDRB = 0; // Set up Data direction register for B PR1 = 0xFF; // Setup PR1 register (24.4Khz @ 25Mhz clk) PW1DCL = 0; // Set low bits of PWM to 0 PW1DCH = 0; // Init PWM duty cycle to 0 T0STA = 0x20; // Configure Timer0 prescaler INTSTA.T0IE = 1; // Enable Timer 0 interrupt TCON1.TMR1CS = 0; TCON1.T16 = 0; TCON2.TMR1ON = 1; // Start timer 1 (PWM timer) TCON2.PWM1ON = 1; // Turn on the PWM CPUSTA.GLINTD = 0; // Unmask the interrupts index = 0; // Initialize variables sign = 0; y = 0; yold = 0; x = 0; xold = 0; PORTC.0 = 1; // Enable the Inverter while(1); // Loop forever, execute in INT Routine } #ifdef FEEDBACK __TMR0() // Timer interrupt { T0STA.T0CS = 0; // Stop timer PORTB.7=1; #ifdef 60Hz TMR0L=0xA5; TMR0H=0xF9; // Make Timer0 interrupt at 3.84KHz for 60Hz output #endif #ifdef 50Hz TMR0L=0x5F; // Make Timer0 interrupt at 3.20KHz for 50Hz output TMR0H=0xF8; #endif T0STA.T0CS = 1; // Start timer CLRWDT(); reference = 0; // Clear Reference Value reference_lo = pwmtab[index]; // Lookup the value of the sinewave reference if (!index) // Toggle Sign Every Cycle Through table sign = ~sign; ++index; // Increment index if (index == 32) // If end of table, reset counter index = 0; if (sign) // If negative going wave { 15 reference = ~reference; // V1.21 of Compiler negate (-ref) doesn’t work for reference = reference + 1; // ref<=0 }="">=0> ad_value = read_ad(0); out_volt = ad_value - 512; // Read output voltage (512 counts=0 volts out) // Form the expression y = yold + (0.09261 * (x + xold)) // Where yold, xold is the value of y, x from the previous sample // x is the // of the inverter and the reference signal. x = out_volt - reference; y = ((x + xold) * 24); y = y / 256; y = y + yold; if (y >= 0) { PORTC.2 = 0; // Set positive going cycle } else { PORTC.2 = 1; // Set negative going cycle y = ~y; y = y + 1; } if (y > 255) y = 255; // Limit y PW1DCH = y; // Update duty cycle xold = x; // Store previous sample’s state yold = y; PORTB.7=0; } #endif #ifdef OPEN_LOOP // The inverter runs in an open loop mode with OPEN_LOOP defined. __TMR0() // Timer interrupt { T0STA.T0CS = 0; // Stop timer #ifdef 60Hz TMR0L=0xA5; TMR0H=0xF9; //Make Timer0 interrupt at 3.84KHz for 60Hz output #endif #ifdef 50Hz TMR0L=0x5F; //Make Timer0 interrupt at 3.20KHz for 50Hz output TMR0H=0xF8; #endif T0STA.T0CS=1; //Start timer 16 CLRWDT(); PW1DCH = pwmtab[index]; if (!index) { PORTC.0 = 0; // Gate Drive off PORTC.2 = ~PORTC.2; // Flip Pos/Neg bit PORTC.0 = 1; // Gate Drive on } ++index; if (index == 32) index = 0; PORTC.3 = ~PORTC.3; // Toggle bit to test freq. } #endif long read_ad(unsigned char channel) { long result; PORTC.6 = 1; // Write bit high PORTC.7 = 1; // Read bit high PORTC.4 = 1; // Chip select high DDRD = 0; // Make PORTD an output PORTD = 0x04; // Single ended mode signed 10 bit chan 0 Right justified PORTC.4 = 0; // Select chip PORTC.6 = 0; // latch command word int A/D PORTC.6 = 1; // Start conversion PORTC.4 = 1; // Deselect chip while (PORTC.5); // Wait for conversion to complete DDRD = 0xFF; // Make PORTD an input PORTC.4 = 0; // Select chip PORTC.7 = 0; // Read high byte *( ((unsigned char*)&result) + 1) = PORTD; PORTC.7 = 1; PORTC.4 = 1; PORTC.4 = 0; PORTC.7 = 0; // Read low byte *( ((unsigned char*)&result) ) = PORTD; PORTC.7 = 1; PORTC.4 = 1; // Reset chip select lines return (result); // Return data } 17 附录三 系统电路图 1 电池升压电路 图9 电池升压电路1 18 图10 电池升压电路2 图11 电池升压电路3 19 2 功率因素校正电路 图12 功率因素校正电路1 图13 功率因素校正电路2 20 3 逆变器控制电路 图14 逆变器控制电路1 21 图15 逆变器控制电路2 图16 逆变器控制电路3 22 图17 逆变器控制电路4 4 逆变器驱动电路 图18 逆变器驱动电路1 23 图19 逆变器驱动电路2 24 参考文献 [1] 户川治朗.实用电源电路设计[M].科学出版社,2005年 [2] 谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社,2005年 [3] 李全利 仲伟峰 徐军.单片机原理及应用[M].清华大学出版社,2006年 [4] Donald A.Neamen.半导体物理与器件[M].电子工业出版社,2007年 [5] 丁玉美 高西全.数字信号处理[M] .西安电子科技大学出版社,2006年 [6] 任治刚.电子信息工程专业英语教程[M].电子工业出版社,2008年 [7] 朱学治 赵常春 武振华等.UPS 系统设计与实现[J]. 铁路计算机应用,2004.11总第92 期40页 [8] Stephen G Kochan.Programming in ANSI C.Hagden Books Indianapolis:Indiana,U.S.A,1994 25 致 谢 从选题,查找资料,到正式写完本篇论文,经过了将近4个月的时间。感谢在我毕业设计这段时间里,给予我帮助的所有人。感谢在我论文期间给我提供论文所需的相关资料;最后我要感谢的是我这次毕业设计的指导教师,他在我毕业设计过程中,给予我极大的帮助与辅导。从开始选题到中期修正,再到最终定稿,老师给我提供了许多宝贵建议。在各位的帮助下,我终于完成了本论文的写作。在此衷心的向给予我帮助的老师、师傅表示感谢。 26 不间断电源 UPS 设计要点 一、工作原理: 二、功能要求: 1. 静态旁路开关切换时间 2~20ms。 2. 用市电旁路时,逆变器的频率和相位应与市电锁相同步。 3. 三相输出负荷不平衡度:基波均方根电流差不超过额定电流的 25%。 4. 三相输出电压不平衡系数不超过 5%;输出电压波形失真度不超过 5%。 三、选择: 1. 给计算机供电时, UPS 输出功率应大于设备功率和的 1.5倍。 2. 给其它设备供电时, UPS 输出功率应大于计算负荷的 1.3倍。 3. 负荷最大冲击电流不应大于 UPS 额定电流的 150%。 4. 应急供电时间: (1) 电池额定放点时间按设备停机所需最长时间计,一般 8~15min。 (2) 当有备用电源时,加上等待时间,一般 10~30min。 (3) 当有应急发电机时,可短一点。 (4) 当所需供电时间较长时,应配备柴油机。 5. UPS 对雷击及电压脉冲很敏感,应使脉冲从 UPS 范围外入地,并设 SPD 。 四、种类 1. 当负荷是直流,要求停电时间 ms 级,可用直流型。 2. 当负荷是交流,要求停电时间 ms 级,可用静止型。 3. 当负荷是交流且容量较大时,或含有启动电流较大的电动机,要求停电时间 ms 级,可采用动 态型。 市电交流→整流→逆变→交流→交流电动机→交流发电机→负载 五、系统 1. 可靠性要求不高小系统 2. 供电连续性较好 3. 可靠性较高的大系统 4. 可靠性较高的大系统 摘要 随着现代工业的发展 , 供电网络的负载越来越复杂 , 特别是大型用电负载的启 动和停止 , 大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸 变。另外 , 自然界的雷电 , 电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。一 套好的 UPS 系统可以提高运行的稳定性,随着单片机, DSP 等的应用, UPS 已经 可以实现全数字化和智能化。同时,电力电子器件的飞速发展也为主功率部分的 简化以及先进控制策略的应用提供了必要条件。目前,以电力电子器件组成的逆 变器,以单片机为控制核心的 UPS 电源已普遍应用于我国的各行各业,而本课题 就是以 IGBT 组成的逆变器, 以单片机为控制核心的不间断电源为基础展开研究和 设计的。 关键词 :UPS; 单片机 ; IGBT Abstract With the development of modern industry, more and more complex supply network load, especially for large electrical loads to start and stop the large-scale application of controllable power electronic devices and network internal noise causes the AC sine wave distortion. In addition, the nature of lightning, poor grounding grid factors can affect the quality of grid power supply. A good UPS system can improve the stability of the run, with the MCU, DSP and other applications, the UPS can be achieved all-digital and intelligent. At the same time, the rapid development of power electronic devices to the main power part of the simplified and the application of advanced control strategies to provide the necessary conditions. At present, the inverter to power electronic devices to the microcontroller for UPS power control of the core has been widely used in China's industries, while this issue is with IGBT inverters, uninterrupted MCU as the core power based on the study and design. Key words: UPS; microcontroller; IGBT 目录 摘要 ............................................................................................................ 1 ABSTRACT . .............................................................................................. 2 1. 绪论 ......................................................................................................... 5 1.1引言 ................................................................................................. 5 1.2UPS 发展现状 ................................................................................. 5 1.3不间断电源 UPS 的分类和结构 . ................................................... 6 1.3.1动态 UPS 工作原理 . ................................................................ 6 1.3.2静止式 UPS . ............................................................................. 6 1.4本设计技术参数 ............................................................................. 9 2.UPS 总体结构和整流、逆变主电路 .................................................. 10 2.1UPS 总体结构 ............................................................................... 10 2.2UPS 整流、逆变主电路的设计 ................................................... 10 2.2.1三相电源变压器 ..................................................................... 10 2.2.2三相不控整流桥 .................................................................... 11 2.2.3单相倍频逆变桥 .................................................................... 12 2.2.4阻容吸收装置 ........................................................................ 13 3. 控制电路 ............................................................................................... 14 3.1正弦脉宽调制电路 ....................................................................... 14 3.2驱动电路 ....................................................................................... 16 3.3调整电路 ....................................................................................... 17 4. 转换开关 .............................................................................................. 20 4.1转换开关的主电路 ....................................................................... 20 4.2触发电路 ....................................................................................... 22 4.3控制电路 ...................................................................................... 24 5. 充电电路 .............................................................................................. 26 5.1充电电路的主电路 ...................................................................... 26 5.2充电电路的控制电路 .................................................................. 28 5.3充电过程 ...................................................................................... 31 6. 保护电路 .............................................................................................. 33 6.1过压保护 ........................................................................................ 33 致谢 .......................................................................................................... 35参考文献 .................................................................................................. 36附录一 :整流逆变主电路 ........................................................................ 37附录二:触发电路 .................................................................................. 37附录三:控制电路 .................................................................................. 38附录四:充电电路 .................................................................................. 40 1. 绪论 1.1 引言 现代社会中,电能是一种使用最为广泛的能源,其应用程度是衡量一个国家 发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展,人类社会对电能的需求正日益 增加,同时对电能质量以及供电安全性的要求也越来越高。例如,在银行、证券、 通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理等各行业中,供电 故障将有可能对其带来巨大的经济损失。特别是随着 Internet 高速发展和信息化、 网络化建设步伐的加快,数据安全成为各行业普遍关注的问题,然而供电的故障 对数据的安全性将无疑是致命的。使用不间断电源 (UPS, Uninterruptible Power System), 确保关键用电设备的安全性是解决上述问题的最重要的方法之一。这也使 得全社会对不间断电源的需求日益增加。 1.2 UPS发展现状 自二十世纪六十年代出现了一种新型的交流不间断供电系统以来。以美国为 代表的发达国家相继开始了对 UPS 的生产、研究工作。发展至今,己研究、制造 出形形色色、种类繁多的各式 UPS 。其被广泛的应用于金融、电信、政府部门、邮 政、税务等企事业单位。 同一切先进技术一样,在广大市场的需求下,在各种先进控制技术的强力推 动下, UPS 也正在不断的朝着自己的方向发展。目前,国内外学者都对 UPS 开展了 广泛的研究工作,各种先进的控制技术被引入。在此基础上,许多国外知名 UPS 生产厂商,如山特、梅兰日兰、 APC 等,纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数 字化、智能化、网络化于一身的新一代 UPS 。 于此同时, 《行业 UPS 市场状况分析》 [16]上显示,作为 UPS 消费大国的中国, 不论是大功率市场还是小功率市场,我国的国产 UPS 市场占有率都小于 50%,甚至 30%都不到。由此可见,与国外相比,我国在 UPS 研究与生产领域都还处于一个弱 势阶段。 1.3不间断电源 UPS 的分类和结构 所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时,它可以继续向负载 供电,并能够保证供电质量,使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电 源装置,或者称为不间断供电系统,简称 UPS(Uninterruptible Power System)。 不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型,即直流不 间断供电系统和交流不间断供电系统,但习惯上人们总是将交流不间断供电系统 简称为 UPS 。正因为如此,本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为 UPS 。 1.3.1 动态 UPS 工作原理 所谓动态 UPS 就是指供电不间断是靠动能来实现的,也就是早期的采用柴油 发电机—电动机—发电机组来实现电能变换的装置,其结构如图 1-1所示。当电 网供电正常时, 交流电驱动交流电动机旋转, 从而带动交流发电机和同轴的惯性 K 轮同速运转,由发电机发电供给负载。当电网电压出现波动或某些尖峰干扰时, 由于惯性飞轮的作用,较短时间的电压波动或短时间干扰并不影响惯性飞轮的正 常运转,从而保证了负载上电压的稳定性;一旦电网供电间断,电动机就停止运 转.这时发电机依靠同轴飞轮上所储存的巨大动能而继续发电,使负载的供电时 间得以延长,以便现场工作人员保护现场。但在这种方案中,依靠动能储存的飞 轮延长市电断电时的供电时间势必受到限制。 1.3.2 静止式 UPS 静止式 (静态 )UPS 与动态 (旋转式 )UPS 相比较而言,没有电动机、发电机和飞 轮之类旋转体,它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。 现在人们概念中的 UPS 均是静止式 UPS 。 静止式 UPS 的经典方案如图 1-2所示, 其 原理是:电网正常时,市电经整流器变成直流,再经逆变器将直流变成交流,后 经转换开关送给负载;在电网异常时,由蓄电池给逆变器提供直流电能,经逆变 器变成交流后送给负载;当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时,可经过 转换开关将市电旁路给负载。 图 1-1 动态 UPS 结构图 对静止型 UPS 而言, 按其工作方式又可分为在线式 (online)和后备式 (offline)两种,但无论是后备式还是在线式 UPS ,其基本结构大体相同,只是在工作方式上 和为负载供电的质量上有一定的差异。下面就图 1-2来简要说明在线式和后备式 UPS 的异同点,同时说明在线式和后备式的含义。 (1)在线式 UPS 工作过程 在线式 UPS 的工作过程是,电网正常供电时,交流电经输入变压器后,一方 面经充电器给蓄电池充电,另一方面经整流器变成直流后送至逆变器,经逆变器 变成交流后再通过输出变压器, 最后经转换开关 (K接 4点 ) 送给负载。 此时的电能 流向如下: 电网 输入变压器 转换开关 负 蓄电池组 图 1-2 经典型 UPS 结构框图 电网供电异常时 (过压、欠压、断电 ) ,保护电路 (图 1-2中未画出 ) 将切断输 入市电与 UPS 的联系,让蓄电池为逆变器提供直流电能,此时的能量流向如下: 蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 由上述可见,在线式 UPS 就是指电网正常供电时,电网一方面对蓄电池充电, 另一方面经过 UPS 内部处理和变换后再送给负载;电网停电或供电异常时,由蓄 电池向逆变器提供电能,保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电 池供电时,负载供电没有任何中断。当然,这是 UPS 内部无任何故障时的情况。 若 UPS 内部任何一个单元出现故障, 则控制电路可使转换开关由 K 接 A 点转换为 B 点,即实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间 (供电有间断 ) ,二是此时市电 必须不中断,否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作,应该 使转换时间尽可能短,考虑到较大的滤波电容的储能作用,转换时间一般应小于 3ms 。目前,功率稍大一些的 UPS 为了缩短转换时间,大都采用静态无触点电子开 关,这就大大缩短了转换时间。 (2)后备式 UPS 工作过程 后备式 UPS 的工作过程是:电网供电正常时,电网一方面经变压器至充电器 给蓄电池组充电; 另一方面经变压器和旁路开关 (K接 B 点 ) 送给负载。 此时的电能 流向如下: 充电器 供电异常时,控制电路立即切断电网与负载的联系,同时起动逆变器并使 K 由接 B 转为接 A ,继续由蓄电池提供电能向负载供电。此时的电能流向如下:蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 这时的能量流向和在线式是一样的,只是转换为蓄电池输送电能这个过程和 在线式 UPS 有区别,即在线式 UPS 当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换 时间,而后备式 UPS 存在一定的转换时间,这种转换时间和在线式 UPS 中的转换 旁路时间一样,一般希望其愈短愈好。 通过上述可见,后备式 UPS 就是指电网正常供电时,电网通过旁路开关直接 送给了负载,同时也给 UPS 的蓄电池充电。送给负载的是没有经过 UPS 加工和处 理的电网的电,供电质量明显不及在线式 UPS 的供电质量好。在电网供电出现异 常时,才启动 UPS 内部的逆变器工作,将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后 送给负载。 后备式 UPS 和在线式 UPS 虽然其基本结构大致一样,但在电网正常供电时, 在线式 UPS 的输出较后备式 UPS 的输出交流电质量好,这主要是说在线式 UPS 的 输出是稳压、稳频的,而后备式 UPS 最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处 理功能。不但如此,在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时,在线 式 UPS 没有转换时间,后备式 UPS 是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供 电质量上看,电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程,在线式 UPS 的性能优于后备式。 有的后备式 UPS 的生产厂家加了电网滤波装置, 有的在输 出变压器上增加了一些抽头,以实现对输出的简单稳压,使其产品的性能有所改 善,但终究和在线式还有一定差距。但后备式 UPS 约造价低于在线式 UPS ,因此小 容量的后备式 UPS 也得到了广泛的应用。 1.4 本设计技术参数 本文设计的是静止型不间断电源,而在线式和后备式相比,有着明显的优势, 所以本文设计在线式的 UPS 。其技术性能如下: 输入电压:三相四线制 380V 、 50Hz 交流电压 输入电压范围:380V 土 10% 输入频率范围:50Hz 土 5% 输出电压:单相 220V 、 50Hz 交流电压 电压稳定度:220V 土 2% 频率稳定度:50Hz 土 0.5% 蓄电池组:采用 12v 、 38A ﹒ h 全密封电池 16块 满载工作时:蓄电池组能维持 15min 2.UPS 总体结构和整流、逆变主电路 110V=269V (2.1) 1G v 与 3G v 为 0V , 2G v 与 4G v 为 G v , 3T 截 止 , 变 压 器 初 级 电 流 1i 沿 着 1?2T ?4T ?2路径流动, 将变压器 2B 中储存的能量消耗在电路电阻中。 由于 2T 、 4T 导通,变压器 2B 的 1、 2两端被短路,故 21V =0 ' 0V =0 ' 2 t ' 0t ;期间重复上述过程。 对输出电压 0v 进行博氏级数展开,输出电压基波分量为: 01v =e d V sin 1t w 输出电压中最低次谐波的频率为:f +1f , f -1f 。 其中, f 为驱动脉冲的两倍, 1f 为调频,一般为 50H :。 电力电子模块的主要参数如下: 1) DSO BV DSO BV =(1.65 2.64) × d V =(1.65 2.64) ×269 =444 710V 选择 DSO BV 为 600V 2) DM I DM I = 2i P E d 考虑到蓄电油放电终厂时, 仍能维持满载输出; 另外考虑到占空比 d 为 0.3时, 也能维持满载输出,则 DM I =2′10000/(0.3′16′10.5)=396A 选择 DM I 为 400A 3) GE V GE V =(1. 5 2.5) () GE th V =1.5 2.5) ′5=7.5 12.5V 故可选择 GE V 为 15 V 2.2.4 阻容吸收装置 阻容吸收装置由 1R 、 2R 、 1C 、 2C 、 7D 、 8D 组成。若单相倍频逆变器输入端 出现过电压,过电压首先通过 7D 向 1C 充电,由于电容器两端电压不能突变,故过 电压被吸收。 IGBT 模块导通时,电容器 1C 通过 1R 、 IGBT 模块放电, 1R 限制了放电 电流,从而保护了 IGBT 模块。 3. 控制电路 三角波发生器、比较器、同相器、倒相器、延时电路及控制门组成。 (1)正弦脉宽驱动信号的产生 三角波发生器是由集成运放 33U 及电容器 153C 构成。 压控振荡器输出信号经过 2分频后,通过 273C 、 303R 加在 33U 反相端 (6脚 ) ,在 33U 输出端输出三角波。由于 集成运放 33U 采用单电源,故 6v 直流偏置电压通过 403R 加在 33U 的同相端,于是 输出的三角波在 6v 基础上进行变化, 其波形如图 3-2(a)所示。 输出的三角波一路 加在比较器 83U 反相端 (8端 ) ;另一路通过由 273R 、 383R 及运放 33U 构成的倒相器 后输出反三角波。由于 33U 采用单电源, 6v 偏置电压也通过 393R ,加在运放 33U 同 相端 (3脚 ) ,故反三角波也是在 6v 基础上进行变化,其波形如图 3-2(a)中虚线所 示。反三角波信号加在比较器 83U 的反相端 (10脚 ) 。 小于反三角波电压,比较器输出端为低电位。其输出波形如图 3-2 (c)所示。 (2)由两组驱动信号变成四组驱动信号 由于单相逆变桥由四个桥臂组成,放需要四组驱动情号 ·1T 的驱动脉冲与 2T 的驱动脉冲相位相反。 ·3T 的驱动脉冲与 4T 的驱动脉冲相位相反。 为了将两组驱动脉冲变为四组驱动脉冲,特采用两组同相器及两组反相器,同 相器与反相器均由异或门 123U 组成,异或门有一个输入端接低电位,则构成同相 器;异或门有一个输入端接高电位,则构成反相器。其电路如图 3-2所示。 比较器输出端 (14脚 ) 输出信号通过同相器时, 其输出脉冲相位不变, 波形如图 3-2 (b)所示;输出信号经过反相器时,其输出脉冲相位相反,波形如图 3-2 (d)所示;比较器输出端 (13脚 ) 输出信号经过同相器时,其输出脉冲相位不变,波形 如图 3-2 (c)所示;输出信号经过反相器时,其输出脉冲相位相反,波形如图 3-2 (e)所示。 3.2 驱动电路 驱动电路的功能是为 IGBT 提供正、负栅压,保护 IGBT 模块,隔离主电路与 控制电路的电联系。它由达林顿驱动器和 Ex 跳 41混合驱动器组成,其电路如图 3-1所示。 (1)达林顿驱动器 在图 3-1中, 213U 采用的是 ULN2004AN 集成芯片,它是达林顿驱动器,其外 形及内部结构示意图如图 3-3所示。 图 图 3-3达林顿驱 动器 由于 EXB841混 合 驱 动 器 的 输 入端需要的输入功率比较大,而与门 173U 输出脉冲的功率比较小,不足以驱动 EXB841混合驱动器正常工作,故需要设置达林顿驱动器以放大驱动脉冲的功率。 (2) EXB841混合驱动器 EXB841混合驱动器内部结构示意图如图 3-1所示,它内部包含光电锅合器、 驱动器、过载保护电路。光电耦合器的作用是隔离主电路与控制电路之间电的联 系。驱动器的作用是放大驱动脉冲功率。驱动信号为 m v 时, EXB841输出端 3脚为 高电位, 驱动电流沿 3脚 ? IGBT模块输入电容 ?iss C ? 1脚流动, 向电容器 iss C 充电, c v 逐渐上升; 当 c v 上升到 IGBT 的开启电压时, IGBT 模块导通, IGBT 随 c v 幅 度上升而逐渐进入深度饱和。驱动信号为“ 0”时, EXB841输出端 3脚与 1脚之间 出现-5v 电压,输入电容 iss C 通过 3脚、 1脚放电;当 c v 下降到 IGBT 的截止电压 时, IGBT 模块截止。 IGBT 模块截止后, 发射极与栅极之间承受反向电压, 维持 IGBT 模块截止。 瞬时保护电路的作用是保护 IGBT 模块。 IGBT 模块的过载能力低, 瞬时过载便可使之损坏, 故需要设置瞬时保护电路。 它由过流检测电路、低速切断电路组成,其功能是将过载电流限制在安全工作区 域。该电路采用延迟搜索方法进行保护。所谓“延迟搜索” ,就是实时检测 UBT 模 块两端电压:若超出设定电压值,先将栅极电压从 15v 降至某一设定值 (如 10V) , 延时 10m s 左右再进行检测;如故障消失,自动将栅极电压恢复到 15V ;如放降未 消失,自动将栅压降至 0V 以下,关断 IGBT 模块。 3.3 调整电路 闭环负反馈调整电路的功能是稳定 UPS 输出电压、改善 UPS 输出波形。它是 由调整电路、 SPWM 电路、驱动电路及主电路组成。调整电路包括波形调整电路、 电压调整电路。 (1)波形调整电路 波形调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器组成。 检测电路在这里指的是交流电压检测电路,它由降压变压器 13B 、电阻分压器 263R 、 253R 组成。设变压器的变比为 n ,则变压器次级电压为: 2V = V n 电阻分压器输出电压为: 25 22526 333f R V V R R = + 令 () 25 2526333R F R R n = + 则 0f V F V = 上式表示:检测电压 f V 与 UPS 电源输出电压成正比。该电压通过 353R 及校正 网络 (313C 、 173R 、 333R ) 加到误差放大器 43U 的反相端。 给定电压是由 Sigma PWM1300L集成芯片提供。 给定信号通过 14脚加在 8分频器输入端,经过 8分频后变成 100Hz 对称脉冲 加在外接 2分频器输入端,经过 2分频后变成 50Hz 对称脉冲,由 12脚、 13脚接 回集成芯片。 800Hz 、 100Hz 、 50Hz 脉冲同时加在阶梯波发生器输入端,在其输出 端获得 16阶梯波。由 12脚输入的 50Hz 脉冲经过变换器变成同频率窄脉冲,加在 电子开关的控制端。电子开关输入端接固定 6v 直流电压。每当阶梯波过零时,电 子开关闭合, 6v 直流电压便加在阶梯波上,使阶梯波向上提高 6v 。阶梯波通过滤 波器变成光滑正弦波输出。正弦波电压通过 163R 、 123C ,加在误差放大器 43U 反相 端。设给定电压为 m v 。 误差放大器的功能是放大给定电压与测量电压之差,以提高闭环调整系统精 度。 误差放大器是由 43U 中 8脚、 9脚及 10脚, 电阻 173R 、 183R , 电容器 183C 、 19 3C 一样,即 检测电压波形=输出电压波形 由于负反馈足够大,故 m v ?f v 则 检测电压波形 ?输出电压波形 因此, UPS 输出电压波形与给定电压波形相同。由于给定电压是标准正弦波, 故 UPS 输出电压也是标准正弦波。 (2)电压调整电路 电压调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器及跟踪器组成。其中检测 电路这里指的是直流电压检测电路,它由降压变压器 13B 、整流电路、电阻分压器 223R 、 213R 、 363R 组成。给定电压是由 12V 电源、电位器 23VR 、电阻 43R 构成的分 压器提供的。 1v 为止半周时, 2T 两端加的是正向电压, 1T 两端加的是反向电压, 1T 、 2T 的控 制极虽然均加上正向电压,但是只有 2T 导通。故 2T V =0.7V , 1T V =-0.7V , 01v v ?。 1v 为负半用时, 1T 两端加的是正向电压, 2T 两端加的是反向电压, 1T 的控制极 又加上正向电压,故 1T 导通、 2T 截止。因此有 1T V =0.7V , 2T V =-0.7V , 01v v ?。 以后便以 2p 为周期重复上述过程。 逆变器出现故障时,交流电子开关 2KS 上作,交流电子开关 1KS 不工作,市电 电压通过旁路闸刀开关 2NFB ,电子开关 2KS 加到负载。其工作过程如下。 设市电电压为: 2v =2m v sin 2w t 2v 为正半用时, 3T 两端加的是正向电压, 4T 两端加的是反问电压, 3T 、 4T 的 控制极虽然均加上正向电压,但是只有 3T 导通。故扩 3T V =0.7V , 4T V =-0.7V , 02v v ?。 2v 为负半周时, 4T 两端加的是正向电压, 3T 两端加的是反向电压, 4T 的控制 极又加上正向电压,故 4T 导通、 3T 截止。故 3T V =0.7V , 4T V =-0.7V , 02v v ?。 以后便以 2p 为周期重复上述过程。 若逆变器与自动转换开关出现故障,则采用于动转换开关 2K 。 2K 闭合时,市 电通过旁路闸刀开关 2NFB 及 2K 加在负载上。若旁路闸刀 2NFB 损坏,则采用手动 转换开关 3K 。 3K 闭合时,可以直接将市电加到负载。手动转换开关所处位置如图 4-1所示。 4.2触发电路 触发电路的功能是为主电路中晶间管的控制极提供正向电压。触发电路由脉 冲发生器、脉冲分配器、变换器等三部分组成。如图 4-2所示。 (1)脉冲发生器 如图 4-2所示,脉冲发生器是由 555时基芯片,电阻 154R 、 234R ,电容器 5 4C 及二极管 184D 、 174D 组成。 18V 电压经过 74C 、 144R 、 64C 滤波,再经过 14ZD 变成 稳定 12 V 电压加在 555时基芯片的 8脚与 1脚之间。其工作过程如下。 设电路初始状态是 555时基芯片输出端 (3脚 ) 为“ 1” ,其内部晶体管截止。 12V 电源通过 154R 、 184D 向电容器 54C 充电,电容器两端电压 5C v 从略低于 4 V 开始 ·当 4V <5c v="">5c><8v 时,="" 555时基芯片输出状态不变,其内部晶体管仍截止,电="" 容器="" 54c="" 继续充电,="" 5c="" v="">8v> ·当计 5C v >8V 时, 555时基芯片输出状态发生跳变, 输出端由 “ 1” , 变为 “ 0” , 其内部晶体管导通。 电容器 54C 通过二极管 174D 、电阻 234R 、 7脚,内部晶体管放电,电容器两端电 压 5C v 降。 ·当 4V <5c v="">5c><8v 时,="" 555时基芯片输出状态不变,其内部晶体管仍导通="" ,="" 电="" 容器="" 54c="" 继续放电,="" 5c="" v="">8v> ·当。 5C v >8V 时, 555时基芯片输出状态发生跳变, 输出端由 “ 0” 变为 “ 1” , 图 4-3波形图 (2)脉冲分配器 脉冲分配器的功能是将单列脉冲变成互差 0180的双列脉冲。脉冲分配器有两 路输出,这两路输出的上作过程相同,故下面只分析其中一路的工作过程,即由 14T 、 24T 组成的分配器的工作过程。 如图 4-2所示,脉冲发生器输出信号经过 64R 、 74R 分压后加在晶体管 34T 的 基极,该信号又经过 84R 、 94R 分压后加在晶体管 44T 的基极。 ·若 555时基芯片 3脚为低电位,晶体管 44T 截止 ?晶体管 84T 导通 ?晶体管 14T 导通。通过变压器 B — 2初级的电流沿下面路径流动: 18V 电源“十” ?104T ?124R 、 194R ? “ 6” ? “ 7” ?14T ?地 ?18V 电源 “-” 变压器次级感应出对应的电压,同时晶体管 34T 导通。晶体管 24T 截止。 ·若 555时基芯片 3脚为低电位,晶体管 34T 截止,晶体管 24T 导通。通过变 压器 B — 2初级的电流沿下面路径流动: 18V 电源“十” ?104T ?124R 、 194R ? “ 6” ? “ 5” ?24T ?地 ?18V 电 源“ -” 变压器次级感应出对应的电压,此时晶体管 44T 截止一晶体管 84T 截止、晶体 管 14T 以后便重复上述过程。 (3)变换器 变换器的功能是将脉冲变成对应百流电压。变换器由相同的四组电路组成, 每组电路的工作过程相同。下面分析其中一组电路的工作过程,即由 1444D D 组 成的变换器的工作过程。 ·晶体管 14T 导通, 24T 截止时,通过变压器初级的电流沿下面路径流动: 18V “十” ?104T 、 124R 、 194R ? “ 6” ?“ 7” ?14T ?地‘ 18V “—” 变压器次级感应出电压, 1端为“ +” 、 2端为“ -” 。通过变压器砍级的电流沿 下面路径流动: “ 1” ?44D ?14R ?24R ?24D ?“ 2” “ 1” ?44D ?14C ?24D ?“ 2” 该电流向电容器 14C 充电。 ·晶体管 24T 导通、 14T 截止时,通过变压器初级的电流沿下面路径流动; 18V “ +” ?104T 、 124R ?“ 6” ? “ 5” ?24T ?地 ?18V “ -” , 变压器次级感应出电压, 2端为“ +” 、 1端为“ -” 。通过变压器次级的电流沿 下面路径流动: “ 2” ?14D ?14R ?24R ?34D ?“ 1” “ 2” ?14D ?14C ?34D ?“ 1” 该电流向电容器 14C 充电。 由上述可见,由于脉冲电压不断向电容器充电,故将脉冲变为对应直流电压 4.3 控制电路 控制电路的功能是: ·逆变器正常工作时,为脉冲分配器 (64T 、 74T ) 提供工作电压,切断脉冲分 配器 (14T 、 24T ) 的工作电压。 ·逆变器出现故障时,为脉冲分配器 (14T 、 24T ) 提供工作电压,切断脉冲分 配器 (64T 、 74T ) 的工作电压。 控制电路由晶体管 54T 、 94T 、 104T 、 124T 、 144T 及相应电阻、电容组成。电路 的工作过程如下。 ·逆变器工作正常时, A 点电位为“ 1” 。 晶体管 144T 导通 ?晶体管 124T 截止 ?晶体管 104T 截止, 18v 直流电压无法通过 104T 、 124R 、 194R 加到脉冲变压器 B — 2的中心抽头 6脚与地之间.由 14T 与 24T 组 成的脉冲分配器停止工作, 2KS 其门极无触发电压而停止工作。 晶体管 54T 导通 ?晶体管 94T 导通, 18v 直流电压通过 94T ,加到脉冲变压器 B — 1的中心抽头 6脚到地之间,由 64T 与 74T 组成的脉冲分配器正常工作. 1KS 因其 控制极获得触发电压而正常工作。 ·于是逆变器输出电压通过转换开关 1KS 加负载上。 逆交器出现故障时,图 4-2中 A 点电位为“ 0” 。 晶体管 54T 截止 ?晶体管 94T 截止, 18v 直流电压无法通过 94T 加到脉冲变压器 B — 1的中心抽头 6脚与地之间,由 64T 与 74T 组成的脉冲分配器、由 91644D D 组 成的变换器便停止下作,转换开关 1KS 因其控制极无触发电压而停止工作。 晶体管 144T 截止 ?晶体管 124T 导通 ?晶体管 104T 导通, 18v 直流电压通过 104T 、 124R 194R 加到脉冲变压器 B — 2的中心抽头 6脚与地之间, 由 14T 与 24T 组成的脉冲 分配器、由 1844D D 组成的变换器便正常工作,转换开关 2KS 因其门极获得触发 电压而正常工作。 于是市电电压便通过转换开关 2KS 加到负载上。 5. 充电电路 充电电路的功能是在市电正常时对蓄电池组进行充电,并对蓄电池组进行日 0V =d V +L V L i 逐渐减小,其波形如图所示。 以后便以周期 T 重复上述过程,于是蓄电池两端电压逐渐升高,其电解液的 密度逐渐增加。 (2)输出电压的计算 在电流连续的情况下根据能量转换观点,整流桥输出能量全部转换为蓄电池 化学能 d V IT =0off V It 则 0V =d off T V t =1 1d on V t T - 令 a=on t T ----占空比 则 0V =1d V a - 上式表明: 由于 1-a 由于 a -? (1-a) ˉ ?o V -,故改变占空比 a 便可以改变充电电压 . 5.2 充电电路的控制电路 控制电路的功能是为主电路提供占空比可以改变的驱动脉冲。控制电路是由 脉宽调制器和外部电路构成。脉宽调制器采用的是双排列 8脚集成芯片 3845,集 成芯片如图 5-3所示。 (1)高压保护 3845集成芯片内部的输入端(7脚、 5脚)设置了 34V 齐纳二极管,保证其内 部电路在 34V 以内工作,防止高压可能带来的损坏。 (2)欠压锁定器 欠压锁定器跨接在集成芯片输入端,当集成芯片输入端电压低于 7.9V 时, 欠压锁定器将芯片内部电路锁定,停止芯片工作,整个电路消耗电流仅为 1mA ,保 证集成芯片在极低电流情况下启动。当集成芯片输入端电压高于 8.4v 时,欠压锁 定器将集成芯片内部电路开启,整个电路处于正常工作状态,电路消耗的电流为 15mA 。 5.3 充电过程 充电初期, 蓄电池两端电压较低, 分压器两端电压也低, 稳压控制器 35T (TL431)的控制电压小于其开启电压,稳压控制器 35T 截止,电压信号不能通过光电耦合器 加到 3845芯片的 l 脚。 场效应管 125T -的电流通过 65R 向 145C 充电, 形成电流信号 i v 加到比较器 U 的同相端。比较器反相端接固定电压 v V , v V 是由误差放大器输出端 的电位通过 2R 、 R 分压形成的。 若充电电流大,则通过场效应管 125T -的电流也大,电流信号 i v 上升快, i v 上 升到 v V 所需要的时间短,比较器 U 输出的负载脉冲窄,非门输出的正脉冲也窄, 场效应管 125T -导通时间短,电感 3L 中储能少,充电电流减小。反之亦然,故维持 值流充电。 蓄电池两端电压随充电时间增长而逐渐上升,分压器两端电压随之上升。当 蓄电池两端电压达到 220V 时,稳压控制器 35T 导通,电压信号通过光电精合器加 到 3845芯片的 1脚。此时, v V 包含误差放大器输出固定信号及光电精合器输出的 可变信号。 若充电电压升高,分压器两端电压随之升高, 35T 的控制电压升高, C 、 A 两端 电压降低,光电耦合器输出电压降低,电压信号 v V 随之降低, i v 上升到 v V 所需要 的时间短,比较器 U 输出负脉冲窄,非门输出正脉冲也窄,场效应管 125T -导通时 间短,主电路输出电压降低,充电电压随之降低。反之亦然,故维持恒压充电。 6. 保护电路 目前,虽然功率开关器件容量提高很快,性能也有极大改善,尤其是可承受 过压、过流的能力有显著提高,但它与一般机电类产品相比较,在承受过载的能 力上仍有较大差距。而功率开关器件在 UPS 中担任着功率变换的重任,所以必须 设置相应的保护电路对其进行保护,以防因功率开关器件的损坏而造成严重后果。 此外,蓄电池的过充电、过放电严重影响电池寿命,电源输出电压过高、过低均 影响外部设备正常工作,甚至损坏负载设备,故此 UPS 必须设置保护电路。保护 电路常分为过流保护,过、欠压保护,过热保护,蓄电池保护等四种。这里只设 计了过电压保护电路。 总结 本文研究了在线式不间断电源的工作原理,并设计了一个不间断电源系统。 由于整个系统比较大,再加上时间的原因,本文所设计的系统存在一些不完善的 地方,比如:保护电路只设计了过电流保护和过、欠电压保护。由于本人知识有 限,在设计的过程中也出现了不少问题,比如有些元器件的选型,不是很了解。 有些知识是以前没有学过的,需要重新学习。对于不间断电源的知识以前从没涉 及过,但是通过这次毕业设计,我已经完全了解了不间断电源的工作原理和系统 组成,并对各个功能块的集成电路有了一定的了解。所有的这些都增强了我的自 学能力,尤其是对自己不了解或者根本不知道的知识,消除了对这些知识的恐惧 心理,使自己知道,只要自己有信心,凭自己所学的知识,再加上自己的努力, 就一定能学会的,这对以后工作有很大帮助。 致谢 论文结束之际,我怀着激动和崇敬的心情向我的指导老师陶慧表示由衷的感 谢,感谢他在这段时间里的悉心指导和帮助。特别在论文设计阶段他对我的设计 给予了极大的帮助、鼓励和支持,使得论文从内容设计到实施能如期顺利完成, 同时他严谨的治学态度和深厚的知识基础也给我留下了深深的印象,是我学习的 榜样。 在写论文的过程中遇到许多问题和障碍,得到了老师和同学无私的帮助,感 谢我的同学和朋友,他们在我读大学期间,特别是在论文设计阶段给予我极大的 帮助。在这里再一次感谢所有关心和帮助过我的人。 参考文献 [1] 钱希森.小型 UPS 原理及应用. 科学出版社, 2000 [2] 徐国家 . 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范文五:毕业设计:不间断电源设计