家用單相后備式UPS設(shè)計BE計[1].

1、湖南工程學院課 程 設(shè) 計課程名稱電力電子技術(shù)課題名稱 家用單相后備式 UPS設(shè)計專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級0804學號27姓名劉紅志指導教師梁錦2011 年 7 月 8 日湖南工程學院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱電力電子技術(shù)題目家用單相后備式UPS設(shè)計專業(yè)班級電氣工程0804學生姓名劉紅志 學號27指導老師梁錦審批謝衛(wèi)才任務(wù)書下達日期2011年6月27日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容1. 設(shè)計出UPS電路圖2. 說明UPS電路原理.設(shè)計要求1. 給出設(shè)計原理框圖；2. 給出具體設(shè)計思路，畫出電路圖;3. 編寫設(shè)計說明書。主要設(shè)計條件1 提供實驗箱；2 必要的元器件和導線等;說明書格式1. 課程設(shè)計

2、封面；2. 任務(wù)書；3. 說明書目錄；4. 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖;5. 電路設(shè)計；6. 編寫設(shè)計說明書；7. 總結(jié)與體會；8. 參考文獻；9. 電路圖；10. 評分表；11. 空白尾頁。進度安排十九周星期一：下達設(shè)計任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；十九周星期一一一十九周星期三：查找資料，確定設(shè)計方案，畫 出草圖，自取課題名稱；十九周星期四，星期五：電路設(shè)計，畫圖；二十周星期一上午一一星期二下午：掌握電路原理，打印出圖紙； 二十周星期三：確定課題名稱，書寫設(shè)計報告；二十周星期四：書寫設(shè)計報告；二十周星期五：答辯。參考文獻1王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社，20002.薛永毅，王

3、淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實例，電子工業(yè)出版社，2001.10目錄第1章后備式UPS簡介6.第 2 章 設(shè)計思路與基本原理框圖 7.第 3 章 單元電路設(shè)計說明 8.3.1 充電電路 83.2 逆變電路 93.3 轉(zhuǎn)換電路 123.4 偵測電路 133.4.1 市電輸入監(jiān)測 1.33.4.2 總輸出電壓偵測 1.33.4.3 電池電壓偵測及保護電路 1. 4第 4 章 總結(jié) 1.6.參考文獻 1.7.附錄 1.8.第1章后備式UPS簡介UPS (Uninterruptible Power System)即不間斷電源供應(yīng)器，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的開關(guān)電源 供應(yīng)

4、器。目前，UPS 一般均指靜止式UPS，按其工作方式分類可分為后 備式、在線互動式及在線式三大類。后備式ups也稱非在線式 ups它平時處于蓄電池充電狀態(tài)，在停電時逆變器緊急切換到工作狀態(tài)，將 電池提供的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電輸出，如圖1-1所示，因此后備式UPS也被稱為離線式 UPSUPS的工作模式：LINE-MODE市電提供 UPS的能量，經(jīng) AC-DC和DC-AC的變換，提供恒壓恒頻的輸出；BATTERY-MODE有蓄能電池提供能量，經(jīng)DC-DC和 DC-AC的變換來提供能量給負載；BY PASS市電把能量直接提供給負載，沒有經(jīng)過任何的變換；后備式UPS只有后兩種模式，其優(yōu)點是：運行效

5、率高、噪音低、價格相對便宜，主要適用于 市電波動不大，對供電質(zhì)量要求不高的場合，比較適合家庭使用。后 備式UPS一般只能持續(xù)供電幾分鐘到幾十分鐘，主要是讓用戶有時間 備份數(shù)據(jù)，并盡快結(jié)束手頭工作，其價格也較低，主要用于不太關(guān)鍵 的電腦應(yīng)用，比如個人家庭用戶，就可配小功率的后備式UPS圖1-1后備式UPS工作簡要示意圖第2章設(shè)計思路與基本原理框圖硬件的設(shè)計原則是：系統(tǒng)在滿足所要求功能的前提下盡量簡單可靠， 操控方便。因此硬件的選擇既要使輸入/輸出通道和外圍設(shè)備相配套，保證系 統(tǒng)的功能完善，又要減少項目的投資。設(shè)計實現(xiàn)以下功能：當市電供應(yīng)正常時由市電給負載供電，當市電故 障時開始由蓄電池逆變向負載

6、供電然后再轉(zhuǎn)為油機發(fā)電供電，系統(tǒng)詳細結(jié) 構(gòu)框圖如圖2-1所示。系統(tǒng)主要組成部分有變壓整流電路、穩(wěn)壓器、逆變 線路、CPU空制線路（各種偵測控制電路）、市電油電轉(zhuǎn)換部分。其中CPU是整個系統(tǒng)的控制中樞，它對系統(tǒng)每個單元實施偵測控制； 變壓整流濾波電路作為充電電路給蓄電池充電；穩(wěn)壓電路用三端穩(wěn)壓器組 成的可調(diào)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定充電電壓；充電電路在市電正常供電時將交流整成 直流給蓄電池充電，保證電池電量充足；市電供應(yīng)不正常時先用蓄電池緩 沖供電，然后通過市電油電轉(zhuǎn)換將油電做交流電源代替市電供電直至市電 恢復正常。此設(shè)計比較適用作家用短時小型后備電源。圖2-1家用后備式UPS詳細架構(gòu)第3章單元電路設(shè)計說明3

7、.1充電電路一般充電電路可以分為恒壓充電、恒流充電、分級充電三種電路，為了簡化電路、降低成本，后備式 UPS 般采用恒壓式充電電路。這種 UPS 電源的電池充電電路主要完成以下任務(wù)：1、當市電供電正常時，利用來自市電電源的能量對蓄電池組提供直流浮充 電源。2、 當市電供電不正常時，將電池充電器電路置于關(guān)斷狀態(tài)，以避免UPS 利用蓄電池所提供的直流能量經(jīng)逆變器變成 50HZ的方波交變電源后， 再將方波電源所提供的能量，經(jīng)電池充電器變成直流電源來對蓄電池本身進行再充電。本設(shè)計中充電電路包括變壓、整流、濾波、以及穩(wěn)壓部分，將市電或圖3-1充電電路將市電接入充電變壓器，變壓輸出一個低壓交流，因電壓比較

8、低，充 電對電壓要求不是很高，故用二極管整流橋整流再經(jīng)過濾波電路后用可調(diào) 穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓處理，再濾波后給蓄電池組充電。3.2逆變電路逆變電路是在市電供應(yīng)不正常時，將蓄電池直流電壓變換成交流電暫 時向負載供電的部分。逆變器性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到UPS供電的可靠程度。選用的是直接驅(qū)動的功率 MOSFET其驅(qū)動電路簡單，比較經(jīng)濟。直接 驅(qū)動有以下幾種基本形式。圖中 3-2 (a)是最基本的形式，功率 MOSFE的 控制功率較小時可以采用。圖3-2 (b)是針對3-2 (a)驅(qū)動能力弱的特點， 加入了一級射極跟隨器，并且在T的發(fā)射結(jié)反并了一個二極管 D,其目的是 為輸入電容提供通路。圖中3-2 (c)

9、是將圖3-2 (b)中的二極管D改為三極 管T,其作用是 當VC為低電平時，T導通為輸入電容提供放電通路。一般 人們將T1和T2按圖中連接的電路稱為推挽電路，在實用電路中較為常見。VGD44VCRgVCVGRg匸(b)VD(c)圖3-2直接驅(qū)動的功率 MOSFE基本電路本設(shè)計采用單相橋式逆變電路，其原理圖如圖 3-3(a) 、 (b) 所示通過PWM控制芯片SG3525來控制逆變，SG3525是電流控制型PWM控制 器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的，其詳細 功能這里不作贅述。我們用11、14兩管腳控制四個MOSFET勺通斷，實現(xiàn) 電流逆變。 11、 14 管腳是兩路互補

10、輸出端，通過后面的變壓器輸出兩路同 名電壓來控制上面4個MOSFET正因為是互補輸出，所以四個 MOS管能交 替導通，實現(xiàn)逆變。比如14腳先輸出高電平，通過后面的NPh型三極管VT1 使T3輸出兩路同名電壓，Q1-B/Q1-E、Q4-B/Q4-E分別使MOS? Q1、Q4導 通，而Q2 Q3則不導通，此時電池電流流向是：正極 -Q1 - C1 - T2 上- T2下-Q4 - 電池負極；同理，SG3525的 11腳高電平時，電流路線是： 正極-Q2 - T2 下-T2 上-C1 - Q3 -電池負極，調(diào)節(jié) SG3525其它管腳的阻抗值就能使11、14腳輸出頻率為50HZ即讓4個MOS管輸出頻率

11、為 50HZ的正弦波，實現(xiàn)逆變功能。OPTOTHACCl +(a)(b)圖3-3逆變電路原理圖3.3轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路包括兩部分：市電-電池轉(zhuǎn)換部分，市電-油電轉(zhuǎn)換部分； 市電-電池轉(zhuǎn)換是用來在停電時爭取后面市電-油電轉(zhuǎn)換的時間，待油機 啟動發(fā)電后，自動斷開逆變電路，由油機發(fā)電代替市電并經(jīng)過一系列調(diào) 整后向負載供電，保證負載正常運行。如開關(guān)打向上時則U2導通，接通市電供電線路，開關(guān)打向下時U1導通，接通逆變供電線路。具體電路圖 見圖3-4。圖3-4市電-電池轉(zhuǎn)換電路市電-油電轉(zhuǎn)換則只能在停電后通過人工啟動油機發(fā)電后手動切換，具有一 定局限性，因電路比較簡單，這里不做詳細說明。3.4偵測電路341

12、市電輸入監(jiān)測市電輸入檢測是利用降壓變壓器將市電降壓整流濾波邊為直流，再檢查該直流電壓有無，以判斷是否有市電輸入。如圖3-5所示。當有效值為220V的市電電源經(jīng)市電輸入檢測變壓器 GT1降壓處理后，得到一個正弦波 信號V2。市電電壓檢測信號由V2送入單片機。CPU根據(jù)此信號的不同情況 對市電-電池開關(guān)做出不同控制，可見圖2-1系統(tǒng)詳細架構(gòu)框圖。D9GT 1D1 0220VV2圖3-5市電輸入偵測3.4.2總輸出電壓偵測在系統(tǒng)輸出線路上安裝取樣反饋互感器，經(jīng)全橋整流，電阻分壓后送入CPU對輸出電壓實行實時偵測，如圖 3-6所示圖3-6輸出電壓偵測電路3.4.3電池電壓偵測及保護電路蓄電池在使用過程

13、中常因為過充電或過放電而損壞電池板，而過放電 造成蓄電池的化學物質(zhì)無法恢復從而減小蓄電池的容量。為保證蓄電池免 受上述損害，必須設(shè)置保護電路。后備式 UPS的運行中，當市電供電出故 障時，upS各進入由逆變器向外送出方波電源的局面。一旦出現(xiàn)這種局面， 電池組將通過放電的方式向逆變器提供直流能量。隨著電池放電過程的不 斷進行，電池組的端電壓將不斷下降。當電池兩端電壓低于它兩端放電終 了電壓稱為欠壓。蓄電池在放電后期不僅兩端電壓快速下降，過度放電會 損壞蓄電池，故蓄電池電壓下降到某一數(shù)值時，必須進行欠壓保護。電池電壓取樣主要是作為逆變時停止逆變以及有市電時對蓄電池充電 控制的依據(jù)，按密封免維護鉛蓄

14、電池充電電路規(guī)范，在電池電壓低于47V時應(yīng)停止放電，并立即充電。當充電至53V時，應(yīng)停止充電，且充電電流應(yīng)符合電池要求。電池電壓取樣偵測電路如圖3-7所示。圖3-7電池電壓取樣電路及過低自動保護電池電壓經(jīng)由R2 R3組成的電阻分壓器分壓后一路經(jīng)電容濾波后 直接送去微機，另一路被送到晶體管 Q1 (2N3904的基極上。當電池組 的端電壓高出它的臨界放電電壓時，Q1處于飽和導通狀態(tài)，由于Q1的集 電極和另一晶體管Q2(2N3904的基極是相連的。所以Q2處于截止狀態(tài)， 不會對UPS電源的其他電路的正常工作產(chǎn)生影響。然而當電池組的端電 壓下降到它的臨界放電電壓時，Q1截止，Q2導通，Q2集電極接近

15、于零電 平，反饋到CPU第 4 章 總結(jié)很快就結(jié)束了兩周的課程設(shè)計，讓我或多或少有些小小的心得和感想， 可以說這次UPS不間斷電源課程設(shè)計是在大家共同努力和老師的精心指導 下共同完成的。剛拿到這個課題時我好茫然，不知該從何下手，通過在圖書館和網(wǎng)上 查資料，請教周圍同學，兩三天后才弄清設(shè)計思路和原理，經(jīng)過幾乎兩周 的時間，終于完成了任務(wù)。此次設(shè)計中用到了很多電力電子的常用知識原理，用到了各種元器件、 各種功能電路比如整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變等等，電力電子元器件的應(yīng)用 是非常靈活的，設(shè)計中要實現(xiàn)各種功能，就要分析問題，提取知識然后解 決問題，這鍛煉了自己獨立思考問題獨立解決問題的能力，然后電路圖的

16、繪制需要用到繪圖軟件，我這次用的是 protel，在設(shè)計中無形加強了自己對 這個繪圖軟件的操作的熟悉和了解，這對以后的學習和工作是非常有幫助 的。課程設(shè)計是培養(yǎng)學生將理論知識應(yīng)用于實際的能力的重要環(huán)節(jié)。過程 中需要獨立思考問題，應(yīng)用理論知識分析問題并解決問題，是對學生實際 工作能力的具體訓練和考察過程，我們應(yīng)該重視并好好利用這次機會，鍛 煉自己，提高自己，為以后的發(fā)展做一點準備。在此我要感謝梁錦老師， 給了我很多悉心指導，幫助我圓滿完成了這次設(shè)計，讓我學到了很多。3參考文獻1 王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社， 2009.52 薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實例，電子工業(yè)出版社，2001.103. 陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊機械工業(yè)出版社 19984. 張乃國電源技術(shù)北京：中國電力出版社， 19984GL3C-I 二 X屮&電氣與信息工程系課程設(shè)計評分表項目評價優(yōu)良中及格差設(shè)計方案的合理性與創(chuàng)造性