湖南工程學(xué)院UPS不間斷電源課程設(shè)計(jì)

1、 課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 電力電子技術(shù) 課題名稱 在線式UPS設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 20XX年 X月 XX 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程名稱 電力電子技術(shù) 題 目 在線式UPS設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 電 氣 工 程 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 審 批 任務(wù)書下達(dá)日期 20XX年X月30日設(shè)計(jì)完成日期 20XX年X月 12 日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一設(shè)計(jì)內(nèi)容1設(shè)計(jì)出UPS電路圖。2說明UPS電路原理。二設(shè)計(jì)要求1. 給出設(shè)計(jì)原理框圖；2. 給出具體設(shè)計(jì)思路，畫出電路圖；3. 編寫設(shè)計(jì)說明書。主要設(shè)計(jì)條件1提供實(shí)驗(yàn)箱；2必要的元器件和導(dǎo)線等；說明書格式1. 課程設(shè)計(jì)封

2、面；2. 任務(wù)書；3. 說明書目錄；4. 設(shè)計(jì)總體思路，基本原理和框圖；5. 電路設(shè)計(jì)；6. 編寫設(shè)計(jì)說明書；7. 總結(jié)與體會(huì)；8. 參考文獻(xiàn)；9. 電路圖；10. 評(píng)分表；11. 空白尾頁。進(jìn)度安排十五周星期一：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；十五周星期一十五周星期三：查找資料，確定設(shè)計(jì)方案，畫出草圖，自取課題名稱；十五周星期四，星期五：電路設(shè)計(jì)，畫圖；十六周星期一上午星期二下午：掌握電路原理，打印出圖紙； 十六周星期三：確定課題名稱，書寫設(shè)計(jì)報(bào)告；十六周星期四：書寫設(shè)計(jì)報(bào)告；十六周星期五：答辯。參考文獻(xiàn)1王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，20002薛永毅，王淑英，何希才，

3、新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工業(yè)出版社，20013. 陳汝全，電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，19984. 錢希森，小型UPS原理及應(yīng)用，科學(xué)出版社，20005. 張乃國，電源技術(shù)，中國電力出版社，19986. 李成章，現(xiàn)代電源及電路圖集，電子工業(yè)出版社，20017. 張乃國，UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊，電子工業(yè)出版社，20038. 陳治明，電力電子器件，機(jī)械工業(yè)出版社，19929. 王其英，何春華編著，新型UPS工作原理與實(shí)用技術(shù)及選購指南，2006 說明書目錄一、 UPS總結(jié)構(gòu)框圖7二、 單元電路設(shè)計(jì) 7 2.1降壓并濾波 82.2整流電路 82.3穩(wěn)壓電路給蓄電池充電92.4、逆變器

4、及逆變電路9逆變器采用正弦波PWM逆變器方式102.4.2 逆變電路112.5斬波電路信號(hào)的產(chǎn)生122.6變壓器變壓并濾波輸出132.7 UPS切換開關(guān)14三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)15四、參考文獻(xiàn)17五、總體電路圖18六、課程設(shè)計(jì)評(píng)分表19一、 UPS總結(jié)構(gòu)框圖：UPS結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，為在線式UPS的原理框圖，其基本原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，從輸入端輸入220V電壓，經(jīng)過變壓器將電壓變小，在濾去雜波，整流成直流電壓，經(jīng)過斬波和穩(wěn)壓給蓄電池充電，以保證蓄電池充足的電量，再經(jīng)過PWM逆變電路將直流變?yōu)榻涣?，?jīng)過升壓變壓器變?yōu)樗枰碾妷海谟媒涣鳛V波濾去雜波。一旦市電發(fā)生變化或者停電，就由蓄電池工

5、作，代替整流器輸出直流電，經(jīng)逆變成恒壓恒頻的交流，因此供電不受市電停電的影響。在線式UPS無論市電是否正常，其功率流程都是 “市電濾波一整流濾波(掉電時(shí)為電池)-逆變器-靜態(tài)開關(guān)-輸出”。只有當(dāng)逆變器發(fā)生故障或過負(fù)荷時(shí),才通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到市電旁路，其功率流程是 “市電-靜態(tài)開關(guān)-輸出”。有的用戶還備有柴油發(fā)電機(jī)，可以在市電停電5-10秒之內(nèi)投入 到UPS電源的輸入端，可以在長時(shí)間停電的情況下向用戶提供高質(zhì)量的正弦波 電源。UPS應(yīng)包含交流濾波器，整流器，斬波器，穩(wěn)壓器，逆變器等等器件和線路。 圖1、UPS結(jié)構(gòu)原理圖二、 單元電路設(shè)計(jì)： 2.1降壓并濾波 圖如下，從電網(wǎng)上輸入220V交流電

6、，經(jīng)過變壓器將電壓降低，再經(jīng)過交流濾波器L5，C10把雜波濾去。 圖2 變壓器與交流濾波2.2整流電路 變壓器T1交流電輸入，經(jīng)過整流電路將電壓轉(zhuǎn)換成直流給蓄電池充電，采用升壓斬波方式，由于整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個(gè)電感L1，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)電容C1濾除電壓的高次諧波），以減小紋波電路，如圖3所示，這是一種能夠抑制輸入高次諧波干擾及改善功率因子的電路，采用PWM控制方式，由SG3525的管腳1跟蹤控制，采用這種控制方式，能使輸入電流為正弦波，而輸入功率因子接近于1.由圖可知，經(jīng)二極管整流橋整流成直流。Q1

7、導(dǎo)通時(shí)，電路C1放電，電感L1儲(chǔ)存能量，Q1關(guān)斷后，電感釋放能量，給電容充電及給負(fù)載提供能量。同時(shí)，整流電路前設(shè)置個(gè)熔斷器可以有效保護(hù)電路及其元器件不被損壞。圖3整流與斬波電路2.3穩(wěn)壓電路給蓄電池充電 如下圖，斬波出來的電進(jìn)入LM137后進(jìn)行穩(wěn)壓，LM137的接地管腳連一個(gè)三極管，輸出端3連兩個(gè)電阻用來保護(hù)電路，后直接接二極管給電池充電，以連續(xù)的供給電流。 圖4 穩(wěn)壓充電電路2.4、逆變器及逆變電路2.4.1 逆變器采用正弦波PWM逆變器方式圖5所示為正弦波單相全橋逆變器電路。各個(gè)IGBT的柵極信號(hào)為180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3與V4柵極信號(hào)互補(bǔ)，控制方式采

8、用三角波PWM方式，但UPS負(fù)載一般為電容輸入型，因輸出電流峰值高，使輸出電壓波形畸變，為此要采取相應(yīng)措施。目前采取措施是通過提高載波頻率，加快控制響應(yīng)，并應(yīng)用瞬時(shí)波形控制方式使輸出電壓接近正弦波。圖5中直流側(cè)經(jīng)逆變器后，再接變壓器T2的一次側(cè)線圈，由變壓器二次側(cè)線圈輸出。 圖5 正弦波逆變器電路2.4.2 逆變電路SG3524為逆變器的核心電路如圖6所示：逆變頻率由R17和C7以及SG3524片內(nèi)振蕩器決定。SG3524的11和14腳的驅(qū)動(dòng)輸出由9腳的高電位決定。逆變電路工作后，在整流和逆變輸出成正比的電壓，調(diào)節(jié)R8的大小，C15濾波，回饋回SG3524的1腳，作為比較電壓同2腳的基準(zhǔn)電壓進(jìn)

9、行比較，改變11和14腳輸出波形的占空比，使逆變器輸出的電壓穩(wěn)定在220V。 逆變原理分析：IGBT的G極觸發(fā)脈沖由SG3524的11，14腳提供。T2，T5同時(shí)觸發(fā)，T3，T4同時(shí)觸發(fā)。當(dāng)T2，T5觸發(fā)時(shí)，交流輸出電壓上正下負(fù)；T3，T4觸發(fā)時(shí)，交流輸出電壓上負(fù)下正。當(dāng)T2，T5關(guān)斷后，由于有電感存在，電流通過D7,D10續(xù)流，當(dāng)T3,T4關(guān)斷后，由,D8,D9來實(shí)現(xiàn)續(xù)流。電路中的電容C5和電感L2不僅能限制電壓、電流的躍變，還能為阻感負(fù)載提供無功能量。SG3524的基準(zhǔn)源屬于常規(guī)串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源，它由集成塊內(nèi)部的諧波發(fā)生器，PWM比較器等組件向外提供5V的工作電壓。由振蕩器先產(chǎn)生0.6V

10、3.5V的鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓，送至觸發(fā)器、或非門，并由管腳3輸出。SG3524的工作原理：開關(guān)電源輸出電壓經(jīng)取樣處理后送至放大器的反向輸入端，與基準(zhǔn)電壓比較后，將產(chǎn)生的誤差電壓送到PWM比較器的一個(gè)輸入端，另一端接至鋸齒波發(fā)生器，由此可控制PWM的脈寬調(diào)制信號(hào)，最后依次通過或非門HF1,HF2功率放大器VQ1,VQ2輸出。 圖6 SG3524逆變電路2.5斬波電路信號(hào)的產(chǎn)生此電路主要用來驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號(hào)有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的

11、連接幾個(gè)電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價(jià)比相當(dāng)不錯(cuò)的工業(yè)級(jí)芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動(dòng)電路。其電路圖如下圖 7所示： 圖 7 斬波IGBT驅(qū)動(dòng)電路工作原理：通過R12、R13、C8結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWM信號(hào)由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R15可以改變占空比。輸出的PWM信號(hào)通過二極管D6、D7送至光電耦合器U4，光耦

12、后通過驅(qū)動(dòng)電路對信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。此電路具有信號(hào)穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。2.6變壓器變壓并濾波輸出經(jīng)過逆變后的交流電因?yàn)闆]有達(dá)到需求的電壓，在經(jīng)過變壓器T2的變壓，輸出的交流電高次諧波量較大，于是再采用一個(gè)交流濾波器進(jìn)行濾波，使輸出的交流電穩(wěn)定于所需電能。 圖8 變壓濾波2.7 UPS切換開關(guān) UPS的切換開關(guān)是控制UPS電源和旁路電源供電的一種交流開關(guān)，當(dāng)市電正常工作，主電路都應(yīng)從整流-斬波-逆變中流過；當(dāng)市電異?；蛲ｋ?，主電路由蓄電池代替整流開始工作，只有當(dāng)逆變器發(fā)生異?；蛘咭M(jìn)行電路維修時(shí)開關(guān)才向旁路導(dǎo)通。這個(gè)切換開關(guān)由電

13、磁繼電器構(gòu)成。 此繼電器由逆變輸出交流電供電，電磁開關(guān)將應(yīng)電磁力打到SB2，此時(shí)由整流-斬波-逆變電路供電；當(dāng)逆變電路出現(xiàn)故障時(shí)，電流將斷開，繼電器的電磁鐵將不能產(chǎn)生電磁力，此時(shí)開關(guān)將自動(dòng)打到SB1，這是由市電直接給負(fù)載供電；當(dāng)要對電路進(jìn)行檢修時(shí)，只要打開開關(guān)S1即可讓電磁開關(guān)打到SB1。 圖9 UPS切換開關(guān)三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主

14、要用于電力變換，而電力變換常分為四大類：交流變交流、直流變交流、直流變直流、交流變交流。交流變直流叫整流，直流變交流為逆變。具體來講，變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)深入到我們呢的日常生活中去了，其中UPS不間斷電源就是其中的重要應(yīng)用范圍。此次電力電子課程設(shè)計(jì)中，對UPS電源的設(shè)計(jì)就是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。隨著UPS的廣泛使用，在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性越來越強(qiáng)，使用范圍越來越廣，目前，UPS在電力電子產(chǎn)品中已占市場相當(dāng)大的份額，所以這次課程設(shè)計(jì)對我來說具有非常的實(shí)際意義，能從中讓我學(xué)習(xí)許多先進(jìn)的知識(shí)和理論，將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行升華，這將有利于我今后的工作。UPS不間斷電源有許多

15、實(shí)現(xiàn)方案，但在此次設(shè)計(jì)中，我采用的是適用于小功率的在線式不間斷電源，為了實(shí)現(xiàn)其功能，我首先想到的就是利用一個(gè)整流電路開始，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通過聯(lián)系實(shí)際生活中UPS必須解決的相關(guān)問題，突然發(fā)現(xiàn)自己想漏了許多地方，比如在市電掉線的情況下也要保證穩(wěn)壓電源的有效輸出，必須要有很好的充電性能和充電回路，為了穩(wěn)定充電電壓，我專門設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路，以保證充電的可靠性。整流過程我采用的升壓斬波式電路實(shí)現(xiàn)；在升壓斬波電路中，為了穩(wěn)定控制斬波電路中IGBT，我專門用SG3525芯片與光電耦合器來實(shí)現(xiàn)控制；逆變電路由SG3524逆變電路實(shí)現(xiàn)，采用由三角波PWM控制方式的正弦波逆變器；為實(shí)現(xiàn)由市電供電和逆變器供電之間

16、的轉(zhuǎn)換，必須要有一個(gè)轉(zhuǎn)換控制電路來實(shí)現(xiàn)。此次設(shè)計(jì)最讓我領(lǐng)悟到了光學(xué)知識(shí)，光會(huì)做題是沒有用的，也沒有完全體現(xiàn)學(xué)習(xí)知識(shí)的意義，知識(shí)在于實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。雖然這學(xué)期電力電子技術(shù)這門課我們剛上完，所以對這次課程設(shè)計(jì)來說還算是趁熱打鐵，我將我所學(xué)的知識(shí)通過這次課程設(shè)計(jì)得到了升華。但是在知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用中我不斷發(fā)現(xiàn)了自己的不足，通過這次設(shè)計(jì)，讓我全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)了電力電子技術(shù)這門學(xué)科，也使我對其在實(shí)際生活中的應(yīng)用有了更深的了解；為了完成設(shè)計(jì)，我必須查閱許多相關(guān)資料，這也使我增長了知識(shí)面，學(xué)習(xí)到了教材書上很多沒有講到的內(nèi)容。另外，為了實(shí)現(xiàn)各單元電路的設(shè)計(jì)，必須熟練應(yīng)用各種軟件作出電路圖來實(shí)現(xiàn)相

17、應(yīng)功能的模擬，這樣也讓我進(jìn)一步熟悉相關(guān)軟件的操作，比如Protel99SE、EWB，Word等。最讓我感受深刻的是在不間斷電源設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)到了SG5324,SG5325芯片和光電耦合器的運(yùn)用，這些是書上沒有寫過的，平時(shí)生活中也不一定會(huì)用到，是這次課程設(shè)計(jì)才讓我學(xué)到了這些芯片的知識(shí)，受益匪淺。像以前的課程設(shè)計(jì)一樣，此次電力電子課程設(shè)計(jì)也讓我受益頗深，領(lǐng)悟頗多。在此，我要感謝梁老師的精心指導(dǎo)，細(xì)致耐性的解答我的問題，由于梁老師正確的指導(dǎo)和寶貴的建議，使我這次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行的很順利，通過本次電力電子課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到了許多書本之外的東西，我認(rèn)為這是一次很有實(shí)際意義的課程設(shè)計(jì)，一次個(gè)人實(shí)踐能力的進(jìn)一步突破

18、。我喜歡它給我?guī)淼倪@種快樂。希望在這次課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上能將以后的各種設(shè)計(jì)做的更好，更完善。參考文獻(xiàn) 1王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，20002薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工業(yè)出版社，20013. 陳汝全，電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊，機(jī)械工業(yè)出版社，19984. 錢希森，小型UPS原理及應(yīng)用，科學(xué)出版社，20005. 張乃國，電源技術(shù)，中國電力出版社，19986. 李成章，現(xiàn)代電源及電路圖集，電子工業(yè)出版社，20017. 張乃國，UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊，電子工業(yè)出版社，20038. 陳治明，電力電子器件，機(jī)械工業(yè)出版社，19929. 王其英，何春華編著，新型UPS工作原理與實(shí)用技術(shù)及選購指南，2006電氣與信