宿舍用后備式UPS電源 電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)(論文)

1、 電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：宿舍用后備式UPS電源指導(dǎo)教師簽字： 教師職稱： 起止時(shí)間：09-7-6至09-7-12 目 錄第1章 設(shè)計(jì)目的與方案論證11.1選題與設(shè)計(jì)目的11.2 系統(tǒng)功能框圖21.3 逆變電路方案論證3第2章硬件電路設(shè)計(jì)3 2.1 PWM脈寬調(diào)制電路32.2 整體電路與基本參數(shù)7第3章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)9參考文獻(xiàn)9第1章 設(shè)計(jì)目的與方案論證1.1 選題與設(shè)計(jì)目的UPS供電系統(tǒng)是電力、通信、銀行等行業(yè)的必備電源，從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有幾十年的發(fā)展歷程，在技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)的過(guò)程中，其保護(hù)功能也在不斷地發(fā)生變化。UPS根據(jù)主機(jī)內(nèi)逆變器的工作狀態(tài)可分為：后備式、在線式及在線互動(dòng)式

2、。他們的作用是對(duì)市電進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓調(diào)整，以便向負(fù)載提供更為穩(wěn)定的電壓，同時(shí)，通過(guò)充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，一旦電力中斷、電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟自身的儲(chǔ)備電源，向負(fù)載供電?；赨PS的技術(shù)日漸成熟，同時(shí)許多重要部門(mén)對(duì)電能供應(yīng)要求的提高使得UPS成為常見(jiàn)的供電設(shè)備，尤其是隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，蓄電池容量在增大、體積在減小、壽命也明顯增長(zhǎng)使UPS電源更是如虎添翼隨處可見(jiàn)，如：許多重要的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)或銀行等機(jī)構(gòu)的服務(wù)器、計(jì)算機(jī)都是全日制工作并要求不間斷供電等，都離不開(kāi)UPS。作為一名在校學(xué)生雖然與上述設(shè)備及動(dòng)作過(guò)程沒(méi)有親身經(jīng)歷，但在學(xué)校的日常生活中也需

3、要后備電源。例如，筆者所在學(xué)校因出于安全等方面因素考慮，學(xué)生宿舍在晚上固定時(shí)間統(tǒng)一熄燈斷電，使得住在宿舍同學(xué)的人身安全得到可靠的保障，但同時(shí)也給學(xué)生還來(lái)一些不便。比如，有些同學(xué)在寢室熄燈時(shí)沒(méi)能按時(shí)完成那里的網(wǎng)絡(luò)交易或沒(méi)來(lái)得及在編輯的文檔，這樣就造成交易失敗太第二天的工和冗余。應(yīng)寢室同學(xué)的要求筆者做了一套逆變電源，學(xué)以致用，以饗同學(xué)。1.2 系統(tǒng)功能框圖AC-DC為蓄電池充電DC-AC逆變器負(fù)載（功率300W）市電閥控蓄電池組圖1 系統(tǒng)整體框圖 正常情況下，后備式UPS的逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能通過(guò)穩(wěn)壓和濾波環(huán)節(jié)直接供給負(fù)載；此時(shí)，電池處于充電狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓超出UPS的輸入范圍，即非正常

4、情況下，UPS通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到電池狀態(tài)，后備電池開(kāi)始工作，此時(shí)電池的電能通過(guò)逆變器變換成交流正弦波或方波供給負(fù)載。 后備式UPS采用的是抗干擾分級(jí)調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，當(dāng)市電電壓正常時(shí)，它能向負(fù)載提供抗高頻干擾的穩(wěn)壓電源，但供電質(zhì)量不高，輸出電壓的幅度、頻率隨市電電壓的幅度和頻率而變。正弦波輸出的后備式UPS的波形失真系數(shù)在5%以內(nèi)。從市電供電到電池逆變供電的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10ms，對(duì)一般的計(jì)算機(jī)設(shè)備不會(huì)造成影響。 后備式UPS的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品價(jià)格低廉、運(yùn)行費(fèi)用低。由于正常情況下逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能直接供給負(fù)載，因此后備式UPS的電能轉(zhuǎn)換效率很高。電池壽命一般為35年。 后備式UPS的缺點(diǎn)在于它

5、的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。由于逆變器不是經(jīng)常工作（或者頻繁地切換），因此容易形成單點(diǎn)故障。故后備式UPS一般應(yīng)用在一些非關(guān)鍵性的小功率設(shè)備上。 由以上敘述可知UPS只在市電停電后提供短暫的持續(xù)電能以緩沖發(fā)電機(jī)等其它設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間，通常小容量的UPS可以帶額定負(fù)載3-5分鐘，在這期間可將電腦資料保存或及時(shí)起動(dòng)發(fā)電機(jī)續(xù)航。在此次設(shè)計(jì)中由于要求UPS不間斷供電時(shí)間較長(zhǎng)通常為3小時(shí)左右，因此一定要考慮到系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。1.3 逆變電路方案論證一、采用高頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源變換器開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止。將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。轉(zhuǎn)

6、化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比Hz高很多。所以開(kāi)關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)不是很熱，成本很低。如果不將Hz變?yōu)楦哳l那開(kāi)關(guān)電源就沒(méi)有意義。開(kāi)關(guān)變壓器也不神，就是一個(gè)普通的高頻變壓器，這就是開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源，是通過(guò)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要環(huán)節(jié)：整流成直流電逆變成所需電壓的交流電（主要來(lái)調(diào)整電壓）再經(jīng)過(guò)整流成直流電壓輸出。 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)中由于中間沒(méi)有變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部都是電子元件，效率高、發(fā)熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點(diǎn)，但現(xiàn)在的屏蔽技術(shù)已經(jīng)非常到位。二、采用以工他變壓器為變換元件的逆變電路在以前的大功率或小功率UPS中經(jīng)常使用工頻

7、變壓器，因?yàn)槠涔ぷ黝l率低，變壓器體積、重量很大，通常一臺(tái)1000W的山特UPS重量達(dá)到15kg以上（不含內(nèi)部蓄電池）。變壓器有渦流損耗和磁滯損耗，這導(dǎo)致其效率低下，蓄電池僅有的那點(diǎn)容量有相當(dāng)一部分消耗在變壓器損耗上。這種逆變電路的電壓也不容易控制。但相比工作在高頻的開(kāi)關(guān)電源采用工頻變壓器的逆變電路線路較簡(jiǎn)單，適于業(yè)余條件下制作，運(yùn)行起來(lái)比較穩(wěn)定，只是變壓器成本隨著功率的增大而提高。業(yè)余條件下自己制作的開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行穩(wěn)定度不容易做好，考慮到宿舍的防火與安全，這里選擇以工頻變壓器為能量變換原件的UPS。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 PWM脈寬調(diào)制電路 1 PWM控制的基本原理 理論基礎(chǔ)： 沖量相等而形

8、狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 面積等效原理： 分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦

9、半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。 圖2 用PWM波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。 PWM波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。 2 PWM控制芯片SG3525及應(yīng)用電

10、路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(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器，圖3是SG3525內(nèi)部電路。圖3 SG3525內(nèi)部電路SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步

11、，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。當(dāng)輸出晶體管開(kāi)通時(shí)，R1上會(huì)有電流流過(guò)，R1上的壓降將使VT1導(dǎo)通。因此VT1是在SG3525內(nèi)部的輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的，因此其開(kāi)關(guān)頻率等于SG3525內(nèi)部振蕩器的頻率。 當(dāng)采用推挽式輸出時(shí)，應(yīng)采用如下結(jié)構(gòu)，如圖4aVT1和VT2分別由SG3525的輸出端A和輸出端B輸出的正向驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)。電阻R2和R3是限流電阻，是為了防止注入VT1和VT2的正向基極電流超出控制器所允許的輸出電流。C1和C2是加速電容，起到加速VT1和VT2導(dǎo)通的作用。 由于SG3525的輸出驅(qū)動(dòng)電路是低阻抗

12、的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端A和輸出端B與VT1和VT2柵極之間無(wú)須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動(dòng)功率MOSFET。圖4a 3525推挽輸出控制Q1、Q2S可用常見(jiàn)的場(chǎng)效應(yīng)管代替，電流在25A以上均可，如：75N06、50N06等，耐壓60V電流分別為75A和50A有足夠的裕量。相比又極型晶體三極管場(chǎng)效應(yīng)管的輸入阻抗高容易驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗隨頻率的變化比較??；輸入結(jié)電容小（反饋電容），輸出端負(fù)載的變化對(duì)輸入端影響小，使用時(shí)在柵極串一100歐電阻防止自激震蕩。圖4b為SG3525焊板及推挽功率管實(shí)物圖4b2.2 整體電路與基本參數(shù)一、整休電路設(shè)計(jì) 后備式UPS的主體電路如

13、圖5所示，電路可分為兩部分前半部分是以SG3525脈寬調(diào)制芯片為核心的矩形波驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率電子器件。后半部分主要是逆變執(zhí)行部分，Q1、Q2和中心抽頭的工頻變壓器組成推挽電路，在變壓器的二次側(cè)感應(yīng)出220V的準(zhǔn)正弦波交流電。圖5 整體電路二、基本參數(shù)：1.輸入電壓:DC9.6V-DC15.5V2.輸出電壓:AC220V10%3.頻率 :50Hz2Hz準(zhǔn)正弦波4.內(nèi)置容絲:25A15.低壓關(guān)斷:9.6V-10V6.過(guò)壓保護(hù):15.5V-16V7.低壓報(bào)警:10V-10.5V8.空載電流:0.49.空載功率:6W10.持續(xù)輸出功率:260W11.峰值功率:500W三、電磁兼容與屏蔽設(shè)計(jì) 輻射E

14、MI的抑制措施 如前所述，開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很強(qiáng)的騷擾源，它來(lái)源于開(kāi)關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)。很強(qiáng)的電磁騷擾信號(hào)通過(guò)空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開(kāi)關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。 雖然，功率開(kāi)關(guān)管的快速通斷給開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)了更高的效益，但是，也帶來(lái)了更強(qiáng)的高頻輻射。要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路，如在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開(kāi)關(guān)管的集電極上串聯(lián)2080H的電感。電感在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)能避免集電極電流突然增大，同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。 功率開(kāi)關(guān)管的集電極是一個(gè)強(qiáng)干擾源，開(kāi)關(guān)

15、管的散熱片應(yīng)接到開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機(jī)殼的分布電容，散熱片應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開(kāi)關(guān)管散熱片。 整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小，且反向恢復(fù)時(shí)間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復(fù)呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾和數(shù)千pF，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。第3章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)持續(xù)幾天的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，從中我學(xué)到了很多東西且感悟良多,體會(huì)到了課本聯(lián)系實(shí)際,學(xué)以至用,設(shè)計(jì)思想,實(shí)際動(dòng)手能力都有所提高。由于這次做的設(shè)備是為自己使用所以積極性相對(duì)更高。通過(guò)課程設(shè)計(jì)我體會(huì)到了編程的靈活性并對(duì)它產(chǎn)生了濃厚的興趣。以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中從開(kāi)始有想法到最后出成品,我失敗很多次也修改很多次,可謂是屢敗屢戰(zhàn)，可我并未氣餒,堅(jiān)持到了最后,雖然最后做出的電路板外觀不如成品板,但功能毫不遜色,當(dāng)制做完畢達(dá)到預(yù)期結(jié)果時(shí)頓時(shí)感到很興奮，很有成就感。同時(shí)也使我知道在實(shí)驗(yàn)室好用的系統(tǒng)