小功率UPS電源的設(shè)計(jì)與制作(共8頁(yè))

1、小功率UPS電源的設(shè)計(jì)與制作摘 要：本文在對(duì)整流濾波電路和逆變電路的分析中，選取了多種電路進(jìn)行分析，通過參數(shù)對(duì)比、性能對(duì)比，以及根據(jù)小功率ups應(yīng)用中的實(shí)際要求，從中選擇出較為合適的電路，例如在對(duì)整流濾波電路的選擇中，詳細(xì)對(duì)比了單相橋式整流濾波電路和單相全波整流濾波電路，并給出了選擇單相橋式整流濾波電路的原因。關(guān)鍵詞：ups；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；供電系統(tǒng)ups電源已從上世紀(jì)60年代的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路，并且還在繼續(xù)發(fā)展。目前，ups電源一般均指靜止式ups電源，按其工作方式分類可分為后備式、在線互動(dòng)式及在線式三大類，按照ups電源功率的大小可分為大、中和小三個(gè)分區(qū)類

2、別，其中小功率ups電源系統(tǒng)定義為功率小于3kva的電源產(chǎn)品。一、概述ups電源主要由主機(jī)及蓄電池、電池柜等組成，分為在線式、后備式及在線互動(dòng)式等多種，根據(jù)頻率分高頻機(jī)和工頻機(jī)，它在機(jī)器有電工作時(shí)，就將市電交流電整流，并儲(chǔ)存在自己的電源中，一旦停止供電，它就能提供電源，使用電設(shè)備維持一段工作時(shí)間，保持時(shí)間可能是10分鐘、半小時(shí)等，延時(shí)時(shí)間一般由蓄電池的容量決定。在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)，ups電源開始工作，由儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源，維持正常的生產(chǎn)；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。二、設(shè)計(jì)要求主要研究小功率u

3、ps的設(shè)計(jì)原理及簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案采用ups后備式工作狀態(tài)，對(duì)非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所提供較為優(yōu)質(zhì)的不間斷電源系統(tǒng)，防止突然斷電而影響正常工作或是給機(jī)器造成損害，論文著重對(duì)ups供電設(shè)計(jì)方案中的整流濾波電路部分、逆變電路部分、蓄電池部分進(jìn)行介紹和分析，對(duì)該ups小功率的供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，包括其功能、用途、工作方式等，根據(jù)已掌握的知識(shí)對(duì)小功率ups供電系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，并且能滿足非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所不間斷供電的要求，通過針對(duì)ups的各不同工作方式進(jìn)行比較分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，其電路主要參數(shù)：輸入電壓：?jiǎn)蜗?220v?？0%；輸入頻率：50hz?？% ；輸出電壓：220v

4、；輸出頻率：50hz。三、小功率ups供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（一）整流濾波電路部分在ups中，輸入電路的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是整流器/充電器，不過小功率的整流器和充電器是分開的，在對(duì)ups進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，非常有必要對(duì)整流濾波電路進(jìn)行分析。由于變化多端的市電輸入后，首先由整流器進(jìn)行加工，所以掌握整流器中電流的流向和一般計(jì)算方法，知道幾種整流的區(qū)別及特點(diǎn)，對(duì)于正確使用ups和判斷故障是很重要的。1、單相半波整流濾波電路圖3-1 單相半波整流濾波電路原理圖如圖3-1所示為單相半波整流濾波電路原理圖，由于整流器具有單向?qū)ǖ奶匦?，所以輸入電壓u1經(jīng)二極管vd整流后就變成了單相脈動(dòng)波u0 ，而輸入的負(fù)半周被隔離掉。一

5、般整流器后面都有電容濾波器，如圖3-1所示中c將脈動(dòng)波變成直流波uc。2、單相全波整流濾波電路圖3-2 單相全波整流電路原理圖及整流波形圖單相半波整流電路一般都用于小功率的情況，當(dāng)功率稍微增大時(shí)必須用全波整流。如圖3-2所示為單相全波整流電路原理圖及整流波形圖，不難看出，這是兩個(gè)單相半波整流器的組合，電路前增加變壓器，目的是為了使次級(jí)電壓可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求隨意變換。3、單相橋式整流濾波電路單相橋式整流濾波電路原理圖，這種整流工作方式和前兩者不同，前兩者的工作過程中電流在每半波只流過一只整流二級(jí)管，而這種工作方式下每半波的電流流過兩只整流二極管。綜合討論上述三種整流濾波電路，均非常簡(jiǎn)單，但是各有

6、特點(diǎn)。全波整流雖然只用了兩只二極管，但是卻多用了一組變壓器繞組，且要求二極管反向耐壓值為輸入電壓峰值的二倍，單相橋式整流電路雖然多用了兩只二極管，卻少用了一組變壓器繞組，對(duì)二極管反向耐壓的要求也低了一半，因此，雖然后兩種電路都是輸出全波，但綜合各自優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用單相橋式整流濾波電路。（二）開關(guān)電源部分在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)，ups電源開始工作，由儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源，維持正常的生產(chǎn)；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。開關(guān)電源原理，額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分，并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)閡ps電源對(duì)

7、不同性能的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不同，通常負(fù)載功率應(yīng)滿足ups電源70%的額定功率。儲(chǔ)能電池容量的選取當(dāng)負(fù)載功率確定后主要取決其后備時(shí)間的長(zhǎng)短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來定，通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。ups電源系統(tǒng)在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓中斷后，可自行啟動(dòng)供電，且隨著儲(chǔ)能電池慢慢放電，儲(chǔ)能電池的容量隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低，考慮到壽命終止時(shí)儲(chǔ)能電池容量下降到50%并留有一定的余量，ups電源系統(tǒng)的工作時(shí)間當(dāng)儲(chǔ)能電池滿容量時(shí)為2小時(shí)，半容量為1小時(shí)。（三）逆變電路部分在逆變器中，完成直流變交流的電能前向主通道為逆變主電路，它主要由功率開關(guān)元件，變壓器及電解電容等構(gòu)成，通過控制功率開關(guān)元

8、件有規(guī)律的通和斷，使電流按預(yù)期的途徑流通而實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換。單相半橋式逆變電路是由直流電源e、分壓電容器c1和c2、功率開關(guān)器件vt1、vt2和輸出變壓器t等所組成，工作原理：在說明半橋式逆變電路的工作原理之前，要明確的是電路中的分壓電容器c1與c2的容量相等，即c1= c2，同時(shí)，假設(shè)電容器的容量足夠大以至于在電路工作過程中c1和c2兩端電壓幾乎不變，即此時(shí)有uc1= uc2=e/2。下面說明電路的工作原理。首先，令ug1>0，ug20，ug1<0，于是vt2導(dǎo)通，vt1截止。期間，電容器c1充電，其路徑為e+c1變壓器初級(jí)繞組vt2e-，電容器c2放電，其路徑為c2+變壓器

9、初級(jí)繞組vt2c2-。在vt2關(guān)斷而vt1未導(dǎo)通前這段時(shí)間，電路中”1”端和”2”端間的等效串聯(lián)電感通過vd1向電容c1釋放能量。通過對(duì)單相推挽式逆變電路的分析可知，若在直流電壓e和輸出功率相同的條件下，該電路與全橋式逆變電路相比較，雖然少用了兩個(gè)功率開關(guān)器件，但是所用的器件的耐壓值卻要高一倍，而且變壓器的初級(jí)要有中心抽頭，這給變壓器的制作增加了難度。但是由于小型ups中的蓄電池組電壓較低，功率開關(guān)器件耐壓值就算取4倍的直流電壓值也不過幾百伏，加上推挽式逆變電路的變壓器初級(jí)回路只有兩個(gè)功率開關(guān)管，因而其功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗比全橋電路的少，所以在小功率ups供電系統(tǒng)中逆變電路部分選擇使用單相推挽

10、式逆變電路。（四）充電電路部分在介紹蓄電池充電電路之前，先介紹蓄電池的充電電壓、充電電流、充電方式。1、充電電壓由于ups蓄電池屬于備用工作方式，在市電正常的情況下處于充電狀態(tài)，只有停電時(shí)才會(huì)放電，為延長(zhǎng)電池的使用壽命，ups的充電器一般采用恒壓限流控制方式，蓄電池充滿后即為浮充狀態(tài)。對(duì)于端電壓為12v的蓄電池，正常的浮充電壓在13.513.8v時(shí)，即認(rèn)為是過壓充電，嚴(yán)禁對(duì)蓄電池組過壓充電，因?yàn)檫^壓充電會(huì)造成蓄電池中的電解液所含的水被電解成氫氣和氧氣逸出，使電解液濃度增大，導(dǎo)致蓄電池壽命縮短甚至燒壞。2、充電電流蓄電池充放電電流一般以c來表示，c的實(shí)際值與蓄電池容量有關(guān)，充電電流過大或過小都會(huì)

11、影響蓄電池的使用壽命。理想的充電電流應(yīng)采用分階段定流充電的方式，即在充電初期采用較大的電流，充電一定時(shí)間后改為較小的電流，充電末期改用更小的電流。充電電流的設(shè)計(jì)值一般為0.1c，當(dāng)充電電流超過0.3c時(shí)可認(rèn)為是過流充電。過流充電會(huì)導(dǎo)致蓄電池極板彎曲，活性物質(zhì)脫落，造成蓄電池供電容量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害蓄電池。避免用快速充電器充電，否則會(huì)使蓄電池處于瞬間過流充電和瞬時(shí)過壓充電狀態(tài)，造成蓄電池可供使用電量下降，甚至損壞蓄電池。3、充電方式鉛酸蓄電池放電產(chǎn)物是硫酸鉛，若不及時(shí)轉(zhuǎn)化掉，會(huì)使蓄電池處于充電不足狀態(tài)，從而降低蓄電池放電容量和縮短蓄電池的使用壽命。因此必須使蓄電池處于充足電狀態(tài)。一般采用恒壓充

12、電制，針對(duì)不同情況，可分為浮充充電和均衡充電兩種充電方式。下面對(duì)后備式ups充電電路做簡(jiǎn)單介紹：為了簡(jiǎn)化電路、降低成本，后備式ups通常采用恒壓充電。恒壓充電電路由降壓變壓器、整流橋模塊、集成穩(wěn)壓電路組成。后備式充電電路原理圖，以24v恒壓充電電路為例說明其工作原理。220v市電經(jīng)降壓變壓器t后變?yōu)?7v交流電壓，該電壓經(jīng)整流橋及濾波電容c整流濾波后變?yōu)槠交?3v直流電壓。該直流電壓經(jīng)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓芯片lm373穩(wěn)壓后輸出，通過調(diào)整可調(diào)電阻vr的大小可調(diào)整lm373的輸出電壓。對(duì)于恒壓充電電路，一定要合理調(diào)整其輸出的充電電壓。若充電電壓過高，則充電初期的充電電流就會(huì)過大，容易損壞蓄電池，而

13、充電電壓過低，則充電后期的充電電流就會(huì)過小，造成充電不足，ups后備工作時(shí)間就會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于24v蓄電池組，其放電終了電壓為1.75?？2=21v，充電終了電壓即浮充電壓為2.25v?？2=27v，所以一般將充電電路的輸出電壓調(diào)整在27v左右，此時(shí)通過調(diào)整串聯(lián)在充電器與蓄電池之間的限流電阻r0來限制充電初期的充電電流不超過0.2c，充電后期的充電電流接近0.05c。圖中二極管vd為保護(hù)二極管，其作用是防止當(dāng)市電中斷時(shí)，lm373的輸出電容c反向放電而損壞lm373。四、結(jié)語(yǔ)ups中常用的電路包括整流濾波電路、功率因素校正電路、鎖相電路、充電電路、保護(hù)電路、顯示電路等。在本僅介紹了小功率ups中的幾個(gè)主要電路，整流濾波電路，開關(guān)電源電路，逆變電路，充電電路，以及蓄電池部分。根據(jù)分析ups的工作原理及過程，由于蓄電池充電為直流充電的緣故，可以得知，最主要的電路是逆變電路部分和整流濾波電路，在完成交流-直流-交流的變換過程中，整流濾波和逆變電路起著非常重要的作用，當(dāng)然