小功率UPS供電系統(tǒng)設(shè)計方案

湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 1 小功率 電系統(tǒng)設(shè)計方案 第一章 小功率 電系統(tǒng)設(shè)計簡介 質(zhì)、高效、可靠的交流電能的重要外部設(shè)備，并且具有保護(hù)和檢測監(jiān)控功能的供電設(shè)備，對于計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)、通信、金融、電力、交通、國防及高等院校、科研院所等部門的供電起著關(guān)鍵的作用。 介 不間斷電源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不間斷電源。主要用于給單臺計算機(jī)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時， 市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的 時它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時， 即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng) 220V 交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。 不間斷電源工作原理框圖 部分組成：整流、儲能、變換和開關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 2 外電的變化 控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就像接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便 源系統(tǒng)的日常操 作與維護(hù)，設(shè)計了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。 在電網(wǎng)電壓工作正常時，給負(fù)載供電如所示，而且，同時給儲能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時， 儲能電池工給負(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，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。 機(jī)和儲能電池。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)，因為 源對不同性能的負(fù)載驅(qū)動能力不同，通常負(fù)載功率應(yīng)滿足 源 70%的額定功率。儲 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間的長短，這個時間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時間來定，通常在幾分鐘或幾個小時不等。 計目的 有的時候，正在寫一段文章，或者編一個程序，或者在用畫筆畫一幅畫，突然屏幕一下子黑了 停電了。哎，里面的東西都不見了，白干了半天，連存盤的機(jī)會都沒有。要是搞科研的科學(xué)家也遇到這樣的情況，損失就更大了。能不能想個辦法，使電腦繼續(xù)工作，或者在市電停止的時候，機(jī)器能在短時間內(nèi)保持一段時間的電，使人們有機(jī)會把已經(jīng)干完的工作存盤，以便下一次接著工作呢？辦 法一，買一臺發(fā)電機(jī)，這種方法對于一般用戶來說是比較困難的；辦法二，買一臺 個方法較為容易實現(xiàn)。 據(jù) 部電腦故障的 45%是由電源問題引起的；在中國，大城市停電的次數(shù)平均為 月，中等城市為 2次 /月，小城市或村鎮(zhèn)為 4次 /月，電網(wǎng)存在至少九種問題：斷電、雷擊尖峰、浪涌、頻率震蕩、電壓突變、電壓波動、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾；因此從改善電源質(zhì)量的角度來說給電腦配備一臺 十分湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 3 必要的。 另外，精密的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信設(shè)備是不允許電力有間斷的，以服務(wù)器為核心的網(wǎng)絡(luò)中心要配備 不言而喻 的，即使是一臺普通電腦，其使用三個月以后的數(shù)據(jù)文件等軟件價值就已經(jīng)超過了硬件價值，因此為防止數(shù)據(jù)丟失而配備 是十分必須的。 綜上所述，設(shè)計一個小功率 電系統(tǒng)，來滿足對電能質(zhì)量非嚴(yán)格要求的供電場所如個人家庭用戶等的不間斷供電需求是非常有必要的。 計要求 主要研究小功率 設(shè)計原理及簡單設(shè)計，設(shè)計方案采用 備式工作狀態(tài)，對非嚴(yán)格要求的供電場所提供較為優(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 電設(shè)計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，對該 功率的供電系統(tǒng)進(jìn)行簡單的介紹，包括其功能、用途、工作方式等，根據(jù)已掌握的知識對小功率 且能滿足非嚴(yán)格要求的供電場所不間斷供電的要求，通過針對 各不同工作方式進(jìn)行比較分析，并根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行方案設(shè)計，其電路主要參數(shù)：輸入電壓：單相 220V 20%；輸入頻率： 505% ；輸出電壓： 220V；輸出頻率： 50 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 4 第二章 源分析 源發(fā)展歷史 最早的 東西：采用了非常原始的機(jī)械儲能方式，是帶有一個大飛輪的電動機(jī) 發(fā)電機(jī)組，在發(fā)電機(jī)上帶有一個數(shù)噸重的飛輪，市電停電后該發(fā)電機(jī)可以維持正常供電數(shù)秒鐘?，F(xiàn)代的逆變式 世后，在近十幾年中得到了迅速發(fā)展。就其技術(shù)性能講，它走過了從方波到正弦波、從離線式到在線式、從小功率到大功率、從常規(guī)延時（分鐘級）到長延時（小時級）、從簡單不停電供電到智能化操作和處理功能的發(fā)展歷程。隨著蓄電池和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其控制電路也發(fā)展很快，由開始的立分元件的簡單控制發(fā)展到今天的微處理機(jī)控制，由硬件控制又發(fā)展成軟件控制，如軟件濾波 器；甚至光纖通訊也被引入 且，微處理機(jī)也已被廣泛應(yīng)用于小容量的 ，甚至還專門為蓄電池的監(jiān)控設(shè)立了微處理機(jī)，以保持電池的最佳狀態(tài)。 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，現(xiàn)在在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的 再只是單純的電源設(shè)備，而逐步成為整個網(wǎng)絡(luò)中電源的管理中心， 最初單純不間斷供電已發(fā)展到今天的智能化、多功能。新型的 身融合了多種新技術(shù)， 僅是提供不間斷電源的工具，而且當(dāng)作為負(fù)載的設(shè)備在無人值守時，當(dāng)市電故障后， 以按照事先的約定順序關(guān)機(jī)，甚至還可以自動發(fā)傳呼或 現(xiàn)代的 能實現(xiàn)事件記錄、故障告警、 節(jié)等多項功能，提供了完全的電源管理解決方案?，F(xiàn)在有些 度和煙霧等進(jìn)行監(jiān)視。 色 ?！熬G色 以減少 統(tǒng)使用的電能量，既降低了費(fèi)用又保護(hù)了環(huán)境。比如“綠色 檢測到打印機(jī)長時間空閑后 ,就會把打印機(jī)的電源關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)打印排隊請求時， 著“綠色 出現(xiàn)，為節(jié)約能源又提供了理想的解決方 案。 源工作原理 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 5 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，就將市電交流電整流，并儲存在自己的電源中，一旦停止供電，它就能提供電源，使用電設(shè)備維持一段工作時間，保持時間可能是 10分鐘、半小時等，延時時間一般由蓄電池的容量決定。 高可靠性不間斷供電 保證動力的連續(xù)性 電網(wǎng)穩(wěn)壓、凈化功能 消除電網(wǎng)波動、污染 電池管理功能 延長電池使用壽命 智能監(jiān)控功能 有效解決電源維 護(hù)功能 電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各種結(jié)構(gòu)形式 出現(xiàn)和電路技術(shù)水平、半導(dǎo)體器件的發(fā)展水平以實際應(yīng)用的需要等因素有密切的關(guān)系。技術(shù)不斷進(jìn)步、電路結(jié)構(gòu)不斷更新和完善以及多種電路結(jié)構(gòu)形式并存，各不同電路結(jié)構(gòu)形式的 有各自的優(yōu)點及應(yīng)用場合，當(dāng)前市場上普遍應(yīng)用的主流 括后備式、在線互動式、在線式，以下對這幾種電路形式的 電路結(jié)構(gòu)特點、工作方式、主要電性能指標(biāo)和應(yīng)用對象做簡單說明。 在線式 在線式 運(yùn)作模式為“市電和用電設(shè)備是隔離的， 市電不會直接供電給用電設(shè)備”，而是到了 兵分兩路，一路為電池充電，另一路則轉(zhuǎn)回交流電，供電給用電設(shè)備，市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電時，電池從充電轉(zhuǎn)為供電，直到市電恢復(fù)正常才轉(zhuǎn)回充電，“ 用電的整個過程是全程介入的”。其優(yōu)點是輸出的波型和市電一樣是正弦波，而且純凈無雜訊，不受市電不穩(wěn)定的影響，可供電給“電感型負(fù)載”，例如電風(fēng)扇，只要在 出功率足夠的前題下，可以供電給任何使用市電的設(shè)備。 性能特點： 市電正常時，工作效率極高，可達(dá) 98%以上； 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分取決 于負(fù)載性質(zhì)，它本身不對電網(wǎng)附加諧波干擾； 輸出能力強(qiáng)，適應(yīng)各種阻抗性質(zhì)的負(fù)載，對負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)和過載能力等沒有嚴(yán)格要求； 輸出電壓精度和穩(wěn)定度均差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求； 逆變器直接接在 出端，并處于熱備份狀態(tài)，對輸出電壓尖峰干擾有一定的抑制作用； 電路簡單、成本低、可靠性高； 變換器同時具有充電功能，且其充電能力很強(qiáng)； 因為輸入開關(guān)存在斷開時間，所以 比后備式要短，一般為 4 6 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 6 后備式 后備式又稱為非在線式不間斷電源（ 它只是“備援”性質(zhì)的 電直接供電給用電設(shè)備也為電池充電（ 一旦市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電了，市電的回路會自動切斷，電池的直流電會被轉(zhuǎn)換成交流電接手供電的任務(wù)（ 直到市電恢復(fù)正常，“ 不過從直流電轉(zhuǎn)換的交流電是方波，只限于供電給電容型負(fù)載，如電腦和監(jiān)視器。 后備式 靜止型 最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只應(yīng)用于小功率供電的范圍，其特點是電路簡單，可靠性高，價格低廉，電性能指標(biāo)能滿 足一般負(fù)載要求。 對于計算機(jī)負(fù)載輸入開關(guān)電源而言，方波和準(zhǔn)正弦波都是可用的。因為開關(guān)電源的輸入電路是整流濾波電路，只要方波和準(zhǔn)正弦波電壓的幅值接近正弦波電壓的峰值，那么這兩種波形整流后的直流電壓都是一樣的。市電正弦波的三個重要參數(shù)是頻率、峰值和有效值，準(zhǔn)正弦波的這三個參數(shù)可以做到與正弦波電壓完全相同，對于計算機(jī)輸入開關(guān)電源而言，它無異于真正的正弦波。在正弦波輸出電壓和準(zhǔn)正弦波輸出電壓所形成的輸出電流波形的面積一樣的情況下，正弦波輸出時的輸出電流幅值高而時間短，準(zhǔn)正弦波輸出時的電流幅值小而時間長。再者，準(zhǔn)正弦 波輸出時的逆變器工作在低頻狀態(tài)，而正弦波輸出逆變器工作在高頻狀態(tài)，所以相對于正弦波輸出，準(zhǔn)正弦波輸出使 變器的控制電路簡單易行，對逆變器開關(guān)器件的性能要求低，逆變效率和可靠性都高一些。 性能特點： 市電正常時，工作效率極高，可達(dá) 98%以上； 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分取決于負(fù)載性質(zhì)，它本身不對電網(wǎng)附加諧波干擾； 輸出能力強(qiáng)，適應(yīng)各種阻抗性質(zhì)的負(fù)載，對負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)和過載能力等沒有嚴(yán)格限制； 輸出電壓精度和穩(wěn)定度均差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求； 抗高頻干擾的功能 主要靠輸出、輸入端設(shè)置的高頻濾波器； 市電掉電后，電池逆變輸出電壓多為方波或準(zhǔn)正弦波；市電掉電時輸出電壓切換時間取決于繼電器轉(zhuǎn)換開關(guān)的動作時間，一般為 4 10 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動作時間限制，一般的后備式 出功率多在 2A 以下； 電路簡單，可靠性高，價格低廉。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 7 第三章 小功率 電系統(tǒng)方案設(shè)計 對比上述兩種 作方式及主要電性能指標(biāo)、應(yīng)用對象的說明和比較，根據(jù)設(shè)計要求和目的，基于后備式的各個性能特點及價格方面在小功率的應(yīng)用場合 優(yōu)于在線式，故設(shè)計采用 備式工作方式。以下對后備式供電系統(tǒng)中幾個主要電路及技術(shù)進(jìn)行分析和介紹。 流濾波電路部分 在 入電路的第一個環(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 常有必要對整流濾波電路進(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算方法，知道幾種整流的區(qū)別及特點，對于正確使用 判斷故障是很重要的。 單相半波整流濾波電路 如上圖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?二極管 流后就變成了單相脈動波 而輸入的負(fù)半周被隔離掉。一般整流器后面都有電容濾波器，如上圖中 C 將脈動波變成直流波 U c 。 單相全波整流濾波電路 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 8 單相半波整流電路一般都用于小功率的情況，當(dāng)功率稍微增大時必須用全波整流。上圖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，目的是為了使次級電壓可以根據(jù)設(shè)計的要求隨意變換。 單相橋式整流濾波電路 如上圖所示為單 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，均非常簡單，但是各有特點。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，最終選用單相橋式整流濾波電路。 關(guān)電源部 分 部分組成：整流、儲能、變換和開關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器， 本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。 凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就象接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電 容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 9 取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便 源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動旁路開關(guān)， 檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。 在電網(wǎng)電壓工作正常時，給負(fù)載供電如所示，而且，同時給儲能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時， 儲能電池工給負(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，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。 開關(guān)電源原理圖： ，主機(jī)和儲能電池。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)，因為 通常負(fù)載功率應(yīng)滿足 0的額定功率。儲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間的長短，這個時間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時間來定，通常在幾分鐘或幾個小時不等。 自行啟動供電，且隨著儲能電池慢慢放電，儲能電池的容量隨著時間會逐漸降低，考慮到壽命終止時儲能電池容量下降到 50并留有一定的余量，工作時間當(dāng)儲能電池滿容量時為 2小時，半容量為 1小時。 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)元件有規(guī)律的通和斷，使電流按預(yù)期的途徑流通而實現(xiàn)直流到交流的變換。 單相全橋式逆變電路 單相全橋式逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 它主要由直流電源 E、輸出變壓器 T、四個功率開關(guān)器件組成。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 10 工作原理：在如圖所示的電路中，首先令 控制電壓為負(fù)值，使 止，令 控制電 壓為正值，使 流的流通路徑為： E 壓器初級 E。如果忽略兩個導(dǎo)通管的管壓降，則變壓器初級電壓為 ，變壓器次級電壓為 1，其中 級匝數(shù)。 接下來的時段關(guān)斷， 通，電流流經(jīng)路徑為： E 壓器初級 E。使電路按上述方式周而復(fù)始地工作，則可在變壓器次級獲得交變的電壓，從而實現(xiàn)直流變交流的功能。 單相推挽式逆變電路 單相推挽式逆變電路主要是由直流電源 E、輸出變壓器和 功率開關(guān)器件 組成，在這種結(jié)構(gòu)的電路中，要求兩個初級繞組的匝數(shù)必須相等，即 2。 工作原理： 替導(dǎo)通，當(dāng) 通而 止期間，忽略管壓降，則變壓器初級電壓為 ，變壓器的次級電壓為 1,受的電壓為 2E。當(dāng) 斷 導(dǎo)通時，變壓器初級等效串聯(lián)電感維持原電流不變，因而導(dǎo)致初級繞組的電壓極性與 通時相反，即 組的“ 1”端為正，而“ 2”端為負(fù)， 組的“ 2”端為正，而“ 3”端為負(fù)，故該等效電感的能量只能通過 流電源 E 反饋。 當(dāng) 通而 止期間，則變壓器初級電壓為 E，變壓器的次級電壓為 3E/間 電壓為 2E，當(dāng) 斷 導(dǎo)通時變壓器初級等效串聯(lián)電感的能量只能通過 直流電源 E 反饋。 此后，使電路按此規(guī)律周而復(fù)始地工作，則可在變壓器次級獲得交變的輸出電壓，實現(xiàn)直流變交流的功能。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 11 單相半橋式逆變電路 單相半橋式逆變電路是由直流電源 E、分壓電容器 率開關(guān)器件 輸出變壓器 T 等所組成，其電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。 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 容量相等，即 時，假設(shè)電容器的容量足夠大以至于在電路工作過程中 端電壓幾乎不變，即此時有 。下面說明電路的工作原理。 首先，令 0， 0， 通， 止。期間， 電，其路徑為 壓器初級繞組 ，電容器 電，其路徑為 E+ 壓器初級繞組 E ，前面已經(jīng)假定，在 不變的前提條件下，變壓器的初級兩端電壓 E/2。 在 斷而 導(dǎo)通前這段時間，電路中“ 1”端和“ 2”端間的等效串聯(lián)電感通過 電容 放能量。 在接下來的時刻， 0， 0，于是 通， 止。期間，電容器電，其路徑為 E+ 壓器初級繞組 E ，電容器 路徑為變壓器初級繞組 。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 12 在 斷而 導(dǎo)通前這段時間，電路中“ 1”端和“ 2”端間的等效串聯(lián)電感通過 電容 放能量。 通過對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 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回路只有兩個功率開關(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 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。 充電電壓：由于 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)，只有停電時才會放電，為延長電池的使用壽命， 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)。 對于端電壓為 12V 的蓄電池，正常的浮充電壓在 ，即認(rèn)為是過壓充電，嚴(yán)禁對蓄電池組過壓充電，因為過壓充電會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。 充電電流：蓄電池充放電電流一般以 C 來表示， C 的實際值與蓄電池容量有關(guān)，充電電流過大或過小都會影 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)計值一般為 充電電流超過 流充電會導(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)重時會損害蓄電池。避免用快速充電器充電，否則會使蓄電池處于瞬間過流充電和瞬時過壓充電狀態(tài)，造成蓄電池可供使用電量下降，甚至損壞蓄電池。 充電方式：鉛酸蓄電池放電產(chǎn)物是硫酸鉛，若不及時轉(zhuǎn)化掉，會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)。一般采用恒壓充電制，針對不同情況，可分為浮充充電和均衡充電兩種充電方式。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 13 浮充充電：在線式蓄電池組長期并聯(lián)在充電器和負(fù)載線路上作為后備電源，一般情況下都采用浮充充電方式，單體蓄電池電壓控制在 對于 2V 的蓄電池），并定期觀察、記錄電壓變化情況。如果單體蓄電池電壓偏低，說明蓄電池充電不足、容量不夠。 均衡充電：所謂均衡充電式把每個蓄電池單元并聯(lián)起來，用統(tǒng)一的充電電壓進(jìn)行充電。如果蓄電池組在浮充過程中存在落后蓄電池（單體電壓 低于 對于 2浮充 3個月后，宜進(jìn)行均衡充電過程，其單體蓄電池充電電壓控制在 6 8小時，然后轉(zhuǎn)回浮充電壓值。 下面對后備式 電電路做簡單介紹： 為了簡化電路、降低成本，后備式 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。 該圖為后備式充電電路原理圖，以 24220 后變?yōu)?27V 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?33V 直流電壓。該直流電壓經(jīng)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓芯片 壓后輸出，通過調(diào)整可調(diào)電阻 輸出電壓。 對于恒壓充電電路，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過大，容易損壞蓄電池，而充電電壓過低，則充電后期的充電電流就會過小，造成充電不足， 備工作時間就會達(dá)不到設(shè)計要求。對于24放電終了電壓為 12=21V，充電終了電壓即浮充電壓為 12=27V，所以一般將充電電路的輸出電壓調(diào)整在 27V 左右，此時通過調(diào)整串聯(lián)在充電器與蓄電池之間的限流電阻 流不超過 電后期的充電電流接近 圖中二極管 保護(hù)二極管，其作用是防止當(dāng)市電中斷時， 輸出電容湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 14 第四章 蓄電池部分 蓄電池是 統(tǒng)的一個重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個 統(tǒng)的可靠性，然而蓄電池卻又是整個 目前在 能化學(xué)能電能。在蓄電池中，先用直流電源對其充電，將電 能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存起來，當(dāng)市電供應(yīng)中斷時， 靠儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作。在這個過程中，蓄電池起了承上啟下的作用。不管 多么復(fù)雜，其性能最終取決于它的蓄電池，只要蓄電池失效，再好的 無法提供后備功能。 般要輸出 220V 交流電，帶動較大功率的用電設(shè)備，在蓄電池串聯(lián)數(shù)目有限的情況下，要求有較大的輸出電流能力，目前市場上蓄電池的種類很多，但適用于 蓄電池主要有以下幾種： 蓄電池， 蓄電池， 蓄電池，密封式 以下是對蓄電池的簡單介紹。 電池的工作原理 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（ 在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì) H)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（ 在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（ 與電解液中的硫酸（ 生反應(yīng)，變成鉛離子（ 鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個電子（ 2e）。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 15 （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液） （ 負(fù)極） + 2+ + 2 充電反應(yīng)） (硫酸鉛 ) （水） （硫酸鉛） 可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如右圖所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 如下： 充電時，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。 在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（ 硫酸根負(fù)離子（ 由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價鉛離子（ 斷放出兩個電子來補(bǔ)充，變成四價鉛離子（ 并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ 在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（ 硫酸根負(fù)離子（ 由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價鉛離子（ 中和為鉛（ 并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（ H）和硫酸根離子（ 負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（ 在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時， 在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流 I。同時在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（ 電解液中的硫酸根離子（ 應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ 正極板的鉛離子（ 到來 自負(fù)極的兩個電子（ 2e）后，變成二價鉛離子（ ，與電解液中的硫酸根離子（ 應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ 正極板水解出的氧離子（ 電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 16 （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液）（負(fù)極） + 2 + 2 （放電反應(yīng)） (過氧化鉛 ) （硫酸） （海綿狀鉛） 電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的 作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。 放電時 負(fù)極上的硫酸鉛（ 加，電池內(nèi)阻增 大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 如下： 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。 從上面可以看出，鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。 實際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池 的充電程度。 電池供電時間計算 電池供電時間主要受負(fù)載大小、電池容量、環(huán)境溫度、電池放電截止電壓等因素影響。一般計算 池供電時間，可以計算出電池放電電流 ,然后根據(jù)電池放電曲線查出其放電時間。電池放電電流可以按以下經(jīng)驗公式計算： 放電電流 =功率因數(shù) /電池放電平均電壓效率 如要計算實際負(fù)載放電時間，只需將 還有一個簡單的方法：要計算的話要把實際負(fù)載 果是 8000W 的話就是 8000/0000電池包的選型，現(xiàn)在主流電池都是 12,也是就 安時數(shù) ,一般 2的倍數(shù) 個比方如果電池包是 24外 有很多種。然后就算每組電池的電池數(shù)，一個很簡單的算法 ,但是并不是非常精確 (電池包電壓數(shù) 池個數(shù) =負(fù)載功率延時時間 )根據(jù)這個算出電池個數(shù)來就可以了。 電池容量的選擇 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 17 容量的計算標(biāo)準(zhǔn)公式如下： 計算蓄電池的最大放電電流值： （ *N） 注： P 源的標(biāo)稱輸出功率 源的輸出功率因數(shù)（ 般為 際計算中可以取 E 臨界 蓄電池組的臨界放電電壓（ 12V 電池約為 2V N 每組電池的數(shù)量根據(jù)所選的蓄電池組的后備時間，查出所需的電池組的放電速率值 C，然后根據(jù)： 電池組的標(biāo)稱容量 = I 最大 / 蓄電池容量可分為理論容量、額定容量和實際容量三種。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算而得到的最高理論值，實際容量是指蓄電池在一定的條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時間的乘積，其值小于理論容量。額定容量也稱為標(biāo)稱容量或保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，保證蓄電池在一定的條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。 在衡量蓄電池的指標(biāo)中，蓄電池的額定電壓和額定容量是兩個最常用的技術(shù)指標(biāo)。 在恒流放電的情況下，蓄電池的容量為： Q=中： Q 蓄電池放出的電量， A h； I 放電電流， A； t 放電時間， h。 電池的充放電 蓄電池具有自放電效應(yīng)。從生產(chǎn)制造車間到用戶使用，大約要延誤數(shù)月時間。30 分鐘 60 分鐘 90 分鐘 120 分鐘 180 分鐘 南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 18 以松下蓄電池為例，在 30的環(huán)境溫度下儲藏 8 個月的時間，蓄電池的殘存容量僅為出廠時的一半，因此對于新購買的 套的蓄電池，一般要進(jìn)行一次較長時間的充放電，這叫做初充電。蓄電池的初充電電流大小應(yīng)按 電池的 放電終了后可進(jìn)行再充電，這叫做正常充電。目前在 充和脈沖。所謂浮充是指整流器的輸出與蓄電池并聯(lián)工作。并同時向負(fù)載供電。實際上此時整流器提供的電流分兩路：一路送給負(fù)載，另一路送給蓄電池以補(bǔ)充蓄電池自身內(nèi)部損耗。浮充充電工作方式接線簡單，對改善 出瞬態(tài)響應(yīng)特性有好處。脈沖充電工作方式的特點是充電電流隨蓄電池容量而變化，蓄電池和負(fù)載不是并聯(lián)連接的，用這種方式充電可以縮短充電時間。 充電操作：蓄電池組放電后，應(yīng)立即轉(zhuǎn)入充電，開始控制充電電流，宜（如 200A h 蓄電池充電電流應(yīng)不大于 200=40A）。當(dāng)電流變小時，可慢慢提高蓄電池組充電電壓，達(dá)到均充電壓值后再充 6h，然后再調(diào)回浮充電壓值。 放電要求：蓄電池實際放出的容量與放電電流有關(guān)，放電電流越大，蓄電池的效率越低。例如，對于 12V/24A h 的蓄電池，當(dāng)放電電流為 ，放電至終止電壓的時間是 110際輸出容量為 h，效率為 當(dāng)放電電流為 7電至終止電壓的時間僅為 20s，實際輸出容量為 h，效率為 所以應(yīng)避免大電流放電，提高蓄電池的效率。 放電深度 ：放電深度對蓄電池使用壽命的影響也非常大，蓄電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數(shù)就越少。雖然 有蓄電池低電位保護(hù)功能，一般單節(jié)蓄電池放電至 對于 12V）左右時， 會自動關(guān)機(jī)。但是，如果 于輕載放電或空載放電的情況下，盡管采用小電流放電能提高蓄電池的效率，但是當(dāng)用極小電流長時間放電，將導(dǎo)致蓄電池時間放出容量超過其額定容量，從而造成蓄電池嚴(yán)重的深度放電。當(dāng)蓄電池放電深度為 100%時，蓄電池的實際使用壽命約為 200 250次充放電循環(huán)，放電深度為 50%時，約為 500 600 次充放電循環(huán)。 因此在使用 要避免長時間輕載逆變造成蓄電池深度放電，更要避免蓄電池短路放電，否則會嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池的再充電能力，縮短使用壽命。 放電操作：放電是為了檢查蓄電池容量是否正常，一般采用 10h 率放電，有條件的可用假負(fù)載放電，或者直接斷開市電，用蓄電池組供電?？紤]到安全性，放電深度控制在 30% 50%為宜。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 19 總 結(jié) 通過這次對 設(shè)計和學(xué)習(xí)，我更進(jìn)一步了解到 一些知識，并且熟知了 各不同種類、各工作方式，在不同的需求及工作環(huán)境下對 行選型，合理安排資源，達(dá)到對 大效率的應(yīng)用，以滿足各個不同的工作場所對電能質(zhì)量的要求。 本次對小功率 電電源的設(shè)計與分析，目的是為了達(dá)到 滿足對電能質(zhì)量非嚴(yán)格要求的供電場所如個人家庭用戶等的不間斷供電需求。 率因素校正電路、鎖相電路、充電電路、保護(hù)電路、顯示電路