家用單相后備式UPS設(shè)計(jì)BE計(jì)[1].

1、湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)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(jì)專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)0804學(xué)號(hào)27姓名劉紅志指導(dǎo)教師梁錦2011 年 7 月 8 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)題目家用單相后備式UPS設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)電氣工程0804學(xué)生姓名劉紅志 學(xué)號(hào)27指導(dǎo)老師梁錦審批謝衛(wèi)才任務(wù)書下達(dá)日期2011年6月27日設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)出UPS電路圖2. 說明UPS電路原理.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)

2、封面；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)度安排十九周星期一：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；十九周星期一一一十九周星期三：查找資料，確定設(shè)計(jì)方案，畫 出草圖，自取課題名稱；十九周星期四，星期五：電路設(shè)計(jì)，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(jì)報(bào)告；二十周星期四：書寫設(shè)計(jì)報(bào)告；二十周星期五：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

3、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，2001.10目錄第1章后備式UPS簡介6.第 2 章 設(shè)計(jì)思路與基本原理框圖 7.第 3 章 單元電路設(shè)計(jì)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(hù)電路 1. 4第 4 章 總結(jié) 1.6.參考文獻(xiàn) 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(chǔ)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(dòng)式及在線式三大類。后備式ups也稱非在線式 ups它平時(shí)處于蓄電池充電狀態(tài)，在停電時(shí)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(fù)載；BY PASS市電把能量直接提供給負(fù)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(diǎn)是：運(yùn)行效

5、率高、噪音低、價(jià)格相對便宜，主要適用于 市電波動(dòng)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(shí)間 備份數(shù)據(jù)，并盡快結(jié)束手頭工作，其價(jià)格也較低，主要用于不太關(guān)鍵 的電腦應(yīng)用，比如個(gè)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(jì)思路與基本原理框圖硬件的設(shè)計(jì)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(xiàng)目的投資。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)市電供應(yīng)正常時(shí)由市電給負(fù)載供電，當(dāng)市電故 障時(shí)開始由蓄電池逆變向負(fù)載

6、供電然后再轉(zhuǎn)為油機(jī)發(fā)電供電，系統(tǒng)詳細(xì)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(gè)系統(tǒng)的控制中樞，它對系統(tǒng)每個(gè)單元實(shí)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(shí)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(shí)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(fù)正常。此設(shè)計(jì)比較適用作家用短時(shí)小型后備電源。圖2-1家用后備式UPS詳細(xì)架構(gòu)第3章單元電路設(shè)計(jì)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(jí)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(dāng)市電供電正常時(shí)，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(dāng)市電供電不正常時(shí)，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(jìn)行再充電。本設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)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(shí)，將蓄電池直流電壓變換成交流電暫 時(shí)向負(fù)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(dòng)的功率 MOSFET其驅(qū)動(dòng)電路簡單，比較經(jīng)濟(jì)。直接 驅(qū)動(dòng)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(shí)可以采用。圖3-2 (b)是針對3-2 (a)驅(qū)動(dòng)能力弱的特點(diǎn)， 加入了一級(jí)射極跟隨器，并且在T的發(fā)射結(jié)反并了一個(gè)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(dāng)VC為低電平時(shí)，T導(dǎo)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(shí)用電路中較為常見。VGD44VCRgVCVGRg匸(b)VD(c)圖3-2直接驅(qū)動(dòng)的功率 MOSFE基本電路本設(shè)計(jì)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(xì) 功能這里不作贅述。我們用11、14兩管腳控制四個(gè)MOSFET勺通斷，實(shí)現(xiàn) 電流逆變。 11、 14 管腳是兩路互補(bǔ)

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(gè)MOSFET正因?yàn)槭腔パa(bǔ)輸出，所以四個(gè) MOS管能交 替導(dǎo)通，實(shí)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(dǎo) 通，而Q2 Q3則不導(dǎo)通，此時(shí)電池電流流向是：正極 -Q1 - C1 - T2 上- T2下-Q4 - 電池負(fù)極；同理，SG3525的 11腳高電平時(shí)，電流路線是： 正極-Q2 - T2 下-T2 上-C1 - Q3 -電池負(fù)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(gè)MOS管輸出頻率

11、為 50HZ的正弦波，實(shí)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(shí)爭取后面市電-油電轉(zhuǎn)換的時(shí)間，待油機(jī) 啟動(dòng)發(fā)電后，自動(dòng)斷開逆變電路，由油機(jī)發(fā)電代替市電并經(jīng)過一系列調(diào) 整后向負(fù)載供電，保證負(fù)載正常運(yùn)行。如開關(guān)打向上時(shí)則U2導(dǎo)通，接通市電供電線路，開關(guān)打向下時(shí)U1導(dǎo)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(dòng)油機(jī)發(fā)電后手動(dòng)切換，具有一 定局限性，因電路比較簡單，這里不做詳細(xì)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(dāng)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(gè)正弦波 信號(hào)V2。市電電壓檢測信號(hào)由V2送入單片機(jī)。CPU根據(jù)此信號(hào)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(xì)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(shí)行實(shí)時(shí)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(hù)電路蓄電池在使用過程

13、中常因?yàn)檫^充電或過放電而損壞電池板，而過放電 造成蓄電池的化學(xué)物質(zhì)無法恢復(fù)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(hù)電路。后備式 UPS的運(yùn)行中，當(dāng)市電供電出故 障時(shí)，upS各進(jìn)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(jìn)行，電池組的端電壓將不斷下降。當(dāng)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(huì) 損壞蓄電池，故蓄電池電壓下降到某一數(shù)值時(shí)，必須進(jìn)行欠壓保護(hù)。電池電壓取樣主要是作為逆變時(shí)停止逆變以及有市電時(shí)對蓄電池充電 控制的依據(jù)，按密封免維護(hù)鉛蓄

14、電池充電電路規(guī)范，在電池電壓低于47V時(shí)應(yīng)停止放電，并立即充電。當(dāng)充電至53V時(shí)，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(dòng)保護(hù)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(jī)，另一路被送到晶體管 Q1 (2N3904的基極上。當(dāng)電池組 的端電壓高出它的臨界放電電壓時(shí)，Q1處于飽和導(dǎo)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?fàn)顟B(tài)， 不會(huì)對UPS電源的其他電路的正常工作產(chǎn)生影響。然而當(dāng)電池組的端電 壓下降到它的臨界放電電壓時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)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(jì)，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(jì)是在大家共同努力和老師的精心指導(dǎo) 下共同完成的。剛拿到這個(gè)課題時(shí)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(xué)，兩三天后才弄清設(shè)計(jì)思路和原理，經(jīng)過幾乎兩周 的時(shí)間，終于完成了任務(wù)。此次設(shè)計(jì)中用到了很多電力電子的常用知識(shí)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(jì)中要實(shí)現(xiàn)各種功能，就要分析問題，提取知識(shí)然后解 決問題，這鍛煉了自己獨(dú)立思考問題獨(dú)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(jì)中無形加強(qiáng)了自己對 這個(gè)繪圖軟件的操作的熟悉和了解，這對以后的學(xué)習(xí)和工作是非常有幫助 的。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的能力的重要環(huán)節(jié)。過程 中需要獨(dú)立思考問題，應(yīng)用理論知識(shí)分析問題并解決問題，是對學(xué)生實(shí)際 工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，我們應(yīng)該重視并好好利用這次機(jī)會(huì)，鍛 煉自己，提高自己，為以后的發(fā)展做一點(diǎn)準(zhǔn)備。在此我要感謝梁錦老師， 給了我很多悉心指導(dǎo)，幫助我圓滿完成了這次設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到了很多。3參考文獻(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， 2009.52 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，2001.103. 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. 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(jì)評(píng)分表項(xiàng)目評(píng)價(jià)優(yōu)良中及格差設(shè)計(jì)方案的合理性與創(chuàng)造性