UPS 電源充電電路的設(shè)計(jì)與制作

PAGEI密級：公開學(xué)士學(xué)位論文THESISOFBACHELOR（20—20年）UPS電源充電電路的設(shè)計(jì)與制作

目錄TOC\o"1-3"\h\u3235摘要 I7729Abstract. II25203第1章UPS概論 1112271.1UPS產(chǎn)生背景 1190171.2我國UPS發(fā)展現(xiàn)狀 119131.3我國UPS發(fā)展前景 211565第2章UPS綜述 3287312.1UPS的工作原理 3263072.2UPS的種類 3285432.2.1后備式（OFFLINE） 3199672.2.2在線式（ONLINE） 4203042.2.3在線互動式（ONLINEINTERACTIVE） 482182.3UPS的組成結(jié)構(gòu) 5281502.3.1逆變電路 5185352.3.2整流電路 579272.3.2蓄電池和充電電路 550662.3.4轉(zhuǎn)換電路 633892.3.5保護(hù)電路 653312.3.6輸入/輸出濾波器 628469第3章蓄電池和充電模式 7260643.1蓄電池 795123.1.1UPS用蓄電池種類 782773.1.2免維護(hù)鉛蓄電池 7233263.2UPS電池的充電模式 7240683.2.1恒壓式充電 7212513.2.2恒流式充電 8298543.3.3先恒流后恒壓式充電 924821第4章恒流恒壓式充電電路 11285854.1充電電路方案說明 11130124.2充電電路原理與結(jié)構(gòu) 1172104.3各部分電路設(shè)計(jì) 1214284.3.1控制電路 12243874.3.2充放電電路 14158414.3.3電源電路 1658164.4電路工作原理 1818190第5章安裝調(diào)試 1931400結(jié)語 2029298參考文獻(xiàn) 2129181謝辭 228852附錄1：電路原理圖 235978附錄2：元件清單表 2410456附錄3：電源仿真圖 25UPS電源充電電路的設(shè)計(jì)與制作摘要：UPS是不間斷電源的簡稱，是以逆變器為主要組成部分的靜止型恒壓恒頻電力電子裝置，具有保證電壓頻率穩(wěn)定，改進(jìn)電網(wǎng)質(zhì)量，防止由于波形畸變、高頻噪音以及瞬時(shí)停電給用戶造成的危害等功能。課題主要研究UPS的充電過程，并設(shè)計(jì)一個(gè)恒流恒壓式充電電路，實(shí)現(xiàn)對一節(jié)12AH蓄電池采用連續(xù)浮充制進(jìn)行充電。本設(shè)計(jì)是以模擬電路和數(shù)字電路為基礎(chǔ)，基于集成電路的自動充電電路。該電路可以自動實(shí)時(shí)采集和計(jì)算電池的電壓參數(shù)，同基準(zhǔn)電壓相比較，避免了過量充電，實(shí)現(xiàn)了自動控制。關(guān)鍵詞:UPS；不間斷電源；蓄電池；充電電路；連續(xù)浮充制；恒流恒壓電源。

DesignAndProductionofUPSChargingCircuitAbstract:UPSistheabbreviationofuninterruptablepowersuply.Itisastaticelectronicdevicewithconsistentvoltageandfrequencewhileitsgeneralpartisananti-changedevice.Ithasalotoffunctionssuchaskeepingthefrequenceofthevoltage,improvingthequalityofthepowernet,preventingthedamageswhichareraisedbywavechanging、highfrequencenoise、suddenpowercutandsoon.ThissubjectmainlystudiesthechargingprocessofUPS,anddesignsaconstant-currentconstant-voltagechargingcircuittochargefora12AHbatterybycontinuousfloat-chargingsystem.Thedesignisaautomaticchargingcircuitwhichbasedonanalogouscircuit,digitalcircuitandintegratedcircuit.Thecircuitcanbeautomaticallycollectedandcalculatedbatteryvoltageparametersinreal-time,comparedwiththereferencevoltage,toavoidexcessivechargingandrealizeautomaticcontrol.Keywords:UPS；uninterruptablepowersuply；storagebattery；chargingcircuit；continuousfloat-chargingsystem；constant-currentconstant-voltagepowersupply.第1章UPS概論1.1UPS產(chǎn)生背景眾所周知，電源產(chǎn)業(yè)是各類高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)，所有的高精尖科技設(shè)備都需要電力電子電源系統(tǒng)技術(shù)的配套和支持。今天，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，隨著IT產(chǎn)業(yè)、CI產(chǎn)業(yè)、PC機(jī)廣泛應(yīng)用而得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電源產(chǎn)業(yè)在航空、航天、宇航、艦船、自控自導(dǎo)、尖端武器、原子能、軍隊(duì)現(xiàn)代化以及醫(yī)學(xué)、通信、交通、運(yùn)輸、電力、電子、環(huán)保等領(lǐng)域得到空前的發(fā)展和應(yīng)用，幾乎國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)都與電力電子電源產(chǎn)業(yè)密不可分。尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合在一起的第三代互聯(lián)網(wǎng)的興起，電力電子電源產(chǎn)業(yè)必將承擔(dān)起向國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)重要領(lǐng)域提供全年不間斷的高可靠、高安全度和高速率的資源服務(wù)。而現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越來越復(fù)雜，特別是大型用電負(fù)載的啟動和停止，大型可控電力電子設(shè)備的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲會使交流正弦波發(fā)生畸變。另外，自然界的雷電，電網(wǎng)的接地不良等因素均影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。由于以上因素的影響，可能會導(dǎo)致接在電網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括通信、醫(yī)療等精密的工業(yè)儀器設(shè)備發(fā)生失控、丟失數(shù)據(jù)、停機(jī)、損壞等嚴(yán)重后果，直接影響到用戶的正常工作，造成經(jīng)濟(jì)損失或其他嚴(yán)重事故。由此可見，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球化通信技術(shù)和高精尖的精密加工工業(yè)的發(fā)展，用戶對供電質(zhì)量提出了越來越高的要求。而現(xiàn)有的市電系統(tǒng)存在著許多不穩(wěn)定因素，如市電電網(wǎng)供電不足、電壓波動大、干擾嚴(yán)重，一旦供電突然中斷，將造成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)資料不同程度的損壞、丟失，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件的不可恢復(fù)性損壞。因此，為全面改善供電質(zhì)量，一種能夠提供高質(zhì)量的、無時(shí)間中斷的電源設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，這就是不間斷電源——UPS（UninterruptablePowerSuply）。UPS不間斷電源是一種含有蓄電池(儲能裝置)和控制電路、以逆變器為主要組成部分的靜止型恒壓恒頻電力電子裝置，主要服務(wù)于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它精密電力電子設(shè)備中，在保護(hù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，改善電網(wǎng)質(zhì)量，防止由于波形畸變、高頻噪音、瞬時(shí)停電和電網(wǎng)污染對用戶造成危害等方面起著很重要的作用。UPS不間斷電源已經(jīng)成為保護(hù)重要設(shè)備必需的配套產(chǎn)品。1.2我國UPS發(fā)展現(xiàn)狀近幾年，境外主要電源供應(yīng)商逐漸看好中國電力電子電源市場，紛紛把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向中國內(nèi)地。目前，跨國公司在國內(nèi)電源市場占有主導(dǎo)地位，如：艾默生(Emerson)、APC、梅蘭日蘭、伊頓愛克賽，現(xiàn)在中國本土也已形成一批超億元的電源企業(yè)，如：中興通訊、廈門科華、武漢洲際、煙臺東方電子信息集團(tuán)等，他們有較強(qiáng)的技術(shù)力量和開發(fā)能力?？萍疾拷谠O(shè)立了2億元的電力電子項(xiàng)目專項(xiàng)資金，國家發(fā)改委專門在近期發(fā)文啟動專項(xiàng)課題，用于推進(jìn)電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括應(yīng)用裝置的產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)圍繞節(jié)能、交通、電力、冶金等領(lǐng)域需求，支持應(yīng)用具有自主知識產(chǎn)權(quán)芯片和技術(shù)的電力電子裝置。1.3我國UPS發(fā)展前景在電信、金融等行業(yè)的采購規(guī)模與以前相比出現(xiàn)了穩(wěn)步增長期間，有專業(yè)機(jī)構(gòu)作出的調(diào)查表明，由于這兩個(gè)行業(yè)的硬件投資比重會逐漸減少，加上這兩個(gè)行業(yè)的UPS電源保有率較高，因此其UPS電源需求不太可能出現(xiàn)大的增長，預(yù)計(jì)未來的市場份額將逐漸下降。相反，一些以往占市場比重不大的行業(yè)如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等對UPS電源的需求呈現(xiàn)出快速增長的勢頭，特別是制造業(yè)中，中小企業(yè)的大規(guī)模崛起，更成為帶動UPS電源市場增長的新動力源泉。工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設(shè)備市場銷售額隨著工業(yè)自動化成套設(shè)備和設(shè)備更新改造的飛速發(fā)展，工業(yè)動力大功率UPS電源系統(tǒng)設(shè)備市場在2000年后開始發(fā)展，2003年出現(xiàn)加速，平均增長率達(dá)到16％，2006年1至9月更是達(dá)到18％。隨著重工業(yè)化時(shí)期的來臨，中國工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快，全球產(chǎn)業(yè)鏈加速向中國轉(zhuǎn)移。依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析其數(shù)據(jù)特征，我們預(yù)測工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設(shè)備市場未來五年的銷售額平均增長率將達(dá)到17.5％，潛力巨大。

第2章UPS綜述2.1UPS的工作原理UPS電源一般是由常用電源和備用電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)組合而成，它們之間由邏輯電路進(jìn)行控制，以保證在電網(wǎng)正?；蛲ｋ姞顟B(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)都能可靠地工作。UPS基本工作原理如下：當(dāng)市電正常時(shí)，由市電通過UPS給負(fù)載供電，此時(shí)UPS相當(dāng)于一臺交流穩(wěn)壓電源，它對市電進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓和穩(wěn)頻調(diào)整后，提供給負(fù)載更加穩(wěn)定和潔凈的電源。同時(shí)，UPS通過充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中。當(dāng)市電出現(xiàn)異常時(shí)，UPS立刻切換到蓄電池供電，通過逆變器把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔埽┙o負(fù)載使用，從而達(dá)到對負(fù)載的不間斷電力供應(yīng)，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟硬件不受損壞。圖2.1UPS原理圖2.2UPS的種類從技術(shù)上講，UPS可以分為三大類即：后備式（OFFLINE）、在線式（ONLINE）和在線互動式（ONLINEINTERACTIVE）。此外，UPS的分類還有其他一些簡單的分類，比如從組成原理分為旋轉(zhuǎn)型UPS和靜止型UPS；從應(yīng)用領(lǐng)域分為商業(yè)用UPS和工業(yè)用UPS；從輸出電壓的相數(shù)分為單相UPS和三相UPS；從容量分為大容量UPS（大于100KVA）、中容量UPS（10-100KVA）和小容量UPS（小于10KVA）。2.2.1后備式（OFFLINE）后備式UPS也被稱為離線式UPS，當(dāng)市電的電壓和頻率滿足UPS的輸入要求時(shí)，UPS將市電通過一個(gè)自耦變壓器進(jìn)行必要的電壓調(diào)節(jié)后輸出給負(fù)載，逆變器不工作，處于等待狀態(tài)。當(dāng)市電異常輸入電壓和頻率不滿足要求時(shí)，后備式UPS會迅速切換到逆變狀態(tài)，將電池電能逆變成為交流電對負(fù)載繼續(xù)供電，因此后備式UPS在由市電轉(zhuǎn)逆工作時(shí)會有一段轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般介于2至10毫秒之間。后備式UPS電源的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高、噪音低、價(jià)格相對便宜，主要適用于市電波動不大，對供電質(zhì)量要求不高的場合，比如家庭電腦。圖2.2后備式UPS原理圖2.2.2在線式（ONLINE）在線式UPS具有獨(dú)立的整流、逆變、充電，旁路和維修旁路系統(tǒng)，首先將輸入交流電整流成直流電，再由逆變器將直流電逆變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流電（稱為雙變換）。在大部分情況下，負(fù)載由逆變器輸出的正弦波供電，只有在過載或逆變器損壞時(shí)才由市電直接供電。也就是說在線式UPS開機(jī)后逆變器始終處于工作狀態(tài)，因此在市電異常轉(zhuǎn)電池放電時(shí)沒有中斷時(shí)間，即零中斷。在線式UPS提供了純凈穩(wěn)定的交流電源，幾乎解決了所有的市電問題，是精密負(fù)載最理想的電源，但在線式UPS的價(jià)格較貴。在線式UPS比較適用于計(jì)算機(jī)、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)，因?yàn)檫@些領(lǐng)域的電腦一般不允許出現(xiàn)停電現(xiàn)象。圖2.3在線式UPS原理圖2.2.3在線互動式（ONLINEINTERACTIVE）UPS除了以上兩種主要的類型外，還有一種稱為在線互動式。所謂在線互動式UPS，是指在輸入市電正常時(shí)，UPS的逆變器處于反向工作（即整流工作狀態(tài)），給電池組充電；在市電異常時(shí)逆變器立刻投入逆變工作，將電池組電壓轉(zhuǎn)換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉(zhuǎn)換時(shí)間。同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的軟件控制功能，可以方便地上網(wǎng)，進(jìn)行UPS的遠(yuǎn)程控制和智能化管理?？勺詣觽蓽y外部輸入電壓是否處于正常范圍之內(nèi)，如有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供比較穩(wěn)定的正弦波輸出電壓。而且它與計(jì)算機(jī)之間可以通過數(shù)據(jù)接口（如RS-232串口）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過監(jiān)控軟件，用戶可直接從電腦屏幕上監(jiān)控電源及UPS狀況，簡化、方便管理工作，并可提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。這種UPS集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)頻特性能不是十分理想，不適合做常延時(shí)的UPS電源。圖2.4在線互動式UPS原理圖2.3UPS的組成結(jié)構(gòu)從組成結(jié)構(gòu)來看，一臺比較完善的UPS電源裝置通常由逆變電路、整流電路、充電電路、蓄電池、轉(zhuǎn)換控制電路和保護(hù)電路等幾部分組成。2.3.1逆變電路逆變器是UPS的核心部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路（即蓄電池）輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率非常穩(wěn)定的工頻（50Hz）交流電供負(fù)載使用的電路。在中小型UPS電源中，通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來達(dá)到這一目的。2.3.2整流電路整流電路和逆變電路相對應(yīng)，簡單地說是將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC）的裝置。它有兩個(gè)主要功能：第一，將交流電（AC）變成直流電(DC)，經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。為了抑制高次諧波，改善輸入的功率因數(shù)，整流部分常設(shè)有功率因數(shù)校正電路。2.3.2蓄電池和充電電路在UPS電源中，通常都使用蓄電池作為貯存電能的裝置，它由若干個(gè)電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時(shí)間。其主要功能是：１當(dāng)市電正常時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部。２當(dāng)市電故障時(shí)，通過逆變器將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給負(fù)載使用。充電電路是專門為蓄電池充電單獨(dú)設(shè)計(jì)的電路（詳見第3章）。2.3.4轉(zhuǎn)換電路這里說的轉(zhuǎn)換電路的主要形式就是靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，也稱靜止開關(guān)，它是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，是用兩個(gè)可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān)，其閉合和斷開由邏輯控制器控制。一般分為轉(zhuǎn)換型和并機(jī)型兩種，轉(zhuǎn)換型開關(guān)主要用于兩路電源供電的系統(tǒng)，其作用是實(shí)現(xiàn)從一路到另一路的自動切換；并機(jī)型開關(guān)主要用于并聯(lián)逆變器與市電或多臺逆變器的自動切換。2.3.5保護(hù)電路UPS需要實(shí)現(xiàn)對重要負(fù)載24小時(shí)不間斷供電，這就對UPS的可靠性提出了極高的要求。而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，用戶可能因?yàn)椴僮魇д`或者環(huán)境因素等造成UPS輸出短路或者逆變器橋臂直通，這時(shí)候逆變器的功率管會有大電流通過，假如不對此類故障電流進(jìn)行檢測并實(shí)施有效的保護(hù)動作，IGBT的集電極或者漏極電流會遠(yuǎn)超過安全工作區(qū)，IGBT會因?yàn)樗查g大電流導(dǎo)致高功率損耗炸毀，也可能有過電流引起的過電壓擊穿損壞。由此可見，保護(hù)電路的整個(gè)UPS系統(tǒng)的重要性。2.3.6輸入/輸出濾波器我們知道，電流電壓中存在多種干擾，為了得到高質(zhì)量的供電，UPS中還設(shè)置了濾波器。在正常操作模式中，輸入/輸出過濾器能夠排除高頻干擾，保護(hù)UPS及后端負(fù)載。同時(shí)，過濾器可以確保由UPS或用電器產(chǎn)生的干擾不會影響到其他用電器。在“在線互動式”以及“旁路”模式中，過濾器確保負(fù)載不受市電的任何干擾；在三相機(jī)種（RT子系列）中，即使在維修旁路開關(guān)SWMB閉合的情形下，過濾器的保護(hù)仍然存在。最后，由于本課題主要研究的是充電電路，故上面只對各組成電路作簡要介紹，在下一章節(jié)會針對蓄電池和充電電路作詳細(xì)研究。

第3章蓄電池和充電模式3.1蓄電池作為貯存電能裝置的蓄電池，是UPS系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠程度。3.1.1UPS用蓄電池種類UPS電源要求備用的蓄電池應(yīng)能在短時(shí)間內(nèi)（如大于等于10分鐘）輸出足夠大的電流。滿足這種要求的常用蓄電池有鉛蓄電池和鎘鎳蓄電池；而鉛蓄電池又有各種不同的形式，如密封式免維護(hù)鉛蓄電池、能長時(shí)間放電的鉛酸蓄電池、適合于低溫工作的蓄電池和免維護(hù)硅膠體蓄電池等。本課題要求使用密封式免維護(hù)鉛蓄電池，故下面只針對鉛蓄電池的充放電原理作簡要分析。3.1.2免維護(hù)鉛蓄電池典型的鉛酸蓄電池是以海綿狀鉛（Pb）為負(fù)極活性物質(zhì)，以二氧化鉛（PbO2）為正極活性物質(zhì)，以稀硫酸（H2SO4）為電解液的蓄電池。鉛酸蓄電池化學(xué)反應(yīng)式如下：放電：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4（負(fù)極）+2H2O+PbSO4（正極）充電：PbSO4（負(fù)極）+2H2O+PbSO4（正極）→Pb+2H2SO4+PbO2由此化學(xué)反應(yīng)式得知，鉛酸蓄電池在放電之后，電解液因與正負(fù)極板生成PbSO4而耗用硫酸，其結(jié)果電解液比重下降。反之充電時(shí)，正負(fù)極板之硫酸鉛中的硫酸根漸漸被釋出，電解液硫酸濃度逐漸加大，而比重上升。通常，一般鉛酸電池于充電末期，正負(fù)極板都已還原成二氧化鉛及海綿狀鉛，此后的充電是使電解液的水生成氧氣（陽極）及氫氣（陰極）逸出，其結(jié)果電解液減少，此即一般鉛酸電池需要經(jīng)常補(bǔ)水的原因。免維護(hù)鉛蓄電池，因其價(jià)格低、免維護(hù)，基本性能已能不間斷供電的要求，故在中小型UPS電流中廣泛使用，本課題亦選擇該類蓄電池。3.2UPS電池的充電模式目前UPS供電系統(tǒng)中，主要采用的蓄電池充電方法有恒壓式、恒流式和先恒流后恒壓式三種。3.2.1恒壓式充電在恒壓式充電過程中，電源加在電池兩端的電壓始終保持恒定。若設(shè)電池電動勢為E，電池內(nèi)阻為R，充電電壓為U，充電電流為I，則有以下關(guān)系式：I＝（U－E）/R3.1由3.1式可見，充電開始時(shí)，由于電池電動勢小，所以充電電流很大，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，極化內(nèi)阻逐漸增大，直到反應(yīng)速度等于離子擴(kuò)散速度時(shí)，極化內(nèi)阻才穩(wěn)定下來。因此出現(xiàn)了初期充電電流急速下降；充電中期，隨著電池電動勢的增大，充電電流逐漸減小；充電末期，特別是充足電后，電池電動勢不再增加，充電電流也隨著穩(wěn)定下來（如圖3.1）。圖3.1恒壓式充電曲線圖恒壓式充電時(shí)，電壓通常恒定在13.8V左右（額定電壓為12V的電池），這樣可以減少水的分解，當(dāng)恒定在較低電壓時(shí)，還可避免氣體（O2、H2）的產(chǎn)生。而且，由于充電末期電流很小，因此可以避免過充電。但恒壓式充電存在如下缺點(diǎn)：充電初期電流過大，容易造成極板的彎曲和活性物的脫落，而且設(shè)備必須適應(yīng)充電初期的大電流；充電末期電流過小，使充電時(shí)間延長，且容易充電不足。3.2.2恒流式充電在恒流式充電過程中，充電電流始終保持恒定。電池電動勢E、電池內(nèi)阻R、充電電壓U、充電電流I之間存在以下關(guān)系：U＝E＋I(xiàn)R3.2圖3.2恒流式充電曲線圖由3.2式及圖3.2可見，當(dāng)I保持恒定時(shí)，U將隨著電池端電壓的不斷上升而上升。若電池端電壓升至13.8V（額定電壓為12V的電池）以上，到了充電后期，不對充電電壓進(jìn)行限制，容易使電池處于過充電狀態(tài)，造成電池內(nèi)有大量的水被分解，以及活性物質(zhì)容易發(fā)生脫落使電池壽命縮短。因此，恒流式充電方法一般在UPS系統(tǒng)中很少采用，一是因?yàn)槌潆婋娐繁群銐菏匠潆婋娐窂?fù)雜，二是對鉛蓄電池的傷害較大。3.3.3先恒流后恒壓式充電在充電過程中，分為兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段，用10小時(shí)充電率進(jìn)行恒流充電，當(dāng)單體電池的端電壓達(dá)到13.8V左右（額定電壓為12V的電池）時(shí)，改為第二階段恒壓充電，使單體電池的端電壓恒定在13.8V左右進(jìn)行浮充充電（如圖3.3曲線圖所示）。圖3.3先恒流后恒壓式充電曲線采用先恒流后恒壓式充電方法，可以使電池在整個(gè)充電過程中保持微量析氣狀態(tài)，提高了充電效率。但相應(yīng)的不足就是，這種充電方式對過AGM蓄電池（玻璃棉吸附式蓄電池也俗稱液體電池）來說，因?yàn)槌潆娺^程中沒有較多的氣體產(chǎn)生，則電解液容易出現(xiàn)層化現(xiàn)象，使電池的自放電增加，容量下降。盡管如此，由于這種充電方式綜合了恒壓式、恒流式充電方式的優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)大功率UPS供電系統(tǒng)都是采用這種充電方式。

恒流恒壓式充電電路4.1充電電路方案說明蓄電池的容量和壽命是其重要參數(shù)，蓄電池的額定容量（C）通常作為電池充放電速率的單位，例如10A·h的蓄電池，采用10A電流充電時(shí)，充電速率為C/10=1A。不正確的充電方式不僅會降低電池的儲能容量，還會縮短電池的使用壽命。蓄電池可接受充電電流曲線如圖3所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。圖4.1蓄電池可接受充電電流曲線本設(shè)計(jì)采用快速充電、短時(shí)間放電和浮充充電三階段為蓄電池充電，下面對各階段進(jìn)行介紹：（1）快速充電階段：前五個(gè)時(shí)鐘脈沖用大電流對電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)電池電能。（2）短時(shí)間放電階段：在第六個(gè)脈沖到來時(shí)，電池放電對電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）浮充充電階段：電壓調(diào)節(jié)后，當(dāng)檢測到充電電壓達(dá)到停止充電電壓時(shí)，開始用更小的電流進(jìn)行浮充充電，使充電電池達(dá)到充滿狀態(tài)。4.2充電電路原理與結(jié)構(gòu)利用MC14017計(jì)數(shù)器控制充放電時(shí)間與LM358相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)出浮充自動充電器。此浮充充電電路主要由市網(wǎng)電壓、降壓電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電控制電路和電池充電電路六部分組成，其中市網(wǎng)電壓、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路構(gòu)成電源電路。充放電控制充放電控制市網(wǎng)電壓整流濾波穩(wěn)壓電壓充電電路降壓電路圖4.2電路組成部分框圖4.3各部分電路設(shè)計(jì)4.3.1控制電路該系統(tǒng)的控制電路主要由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器MC14017通過振蕩器產(chǎn)生的脈沖來控制充電器的充電和放電，其中振蕩器由集成電路4069的兩組非門IC2A、IC2B及外圍元件組成，用4069的一組非門充當(dāng)振蕩器的緩沖級，為計(jì)數(shù)器MC14017提供時(shí)鐘脈沖，根據(jù)提供的時(shí)鐘脈沖對充電過程進(jìn)行自動控制。MC14017的狀態(tài)通過電池電壓同基準(zhǔn)電壓比較進(jìn)行控制?？刂齐娐分饕烧袷庪娐?、計(jì)數(shù)器MC14017、反相器4069和比較電路組成，下面分別對它們進(jìn)行簡要介紹。振蕩電路在數(shù)字電路系統(tǒng)中，常常需要各種脈沖波形，如時(shí)鐘脈沖、控制過程中的定時(shí)信號等。脈沖波形的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號發(fā)生器直接產(chǎn)生；另一種是對已有的信號進(jìn)行波形變換。本設(shè)計(jì)中采用了由門電路組成的振蕩器，該電路在接通電源后無需外觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形波脈沖。設(shè)計(jì)中振蕩器的作用用于產(chǎn)生15Hz的方波，電路原理圖如圖4.3所示：圖4.3振蕩電路原理圖十進(jìn)制計(jì)數(shù)器MC140171）MC14017可用于分頻，十進(jìn)制計(jì)數(shù)以及十進(jìn)制譯碼顯示等，時(shí)鐘輸入允許緩慢上升或下降，進(jìn)位輸出采用級聯(lián)形式。MC14017引腳圖如圖4.4所示：圖4.4MC14017的引腳圖2）管腳作用：13腳為位能端（ENA），15腳為MC14017的復(fù)位端（RST），8腳為接地端（GND），16腳為電源電壓（VCC），14腳為時(shí)鐘脈沖輸入端（CLK）,為MC14017提供脈沖來控制Q0~Q9和C0的輸出。3）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器MC14017真值表：表4.1MC14017真值表CLKENARSTDECODEPUTOUT=n0x0nx10nxx1Q0上升沿00n+1下降沿x0nx上升沿0n1下降沿0n+1表中x為不定狀態(tài)。如果n<5，輸出腳C0（12腳）為高電平，否則C0腳就為低電平。MC14017在脈沖的作用下，第一個(gè)脈沖到來時(shí)，Q0和C0輸出為高點(diǎn)平，其它腳為低電平，Q1只在第二個(gè)脈沖到來時(shí)為高電平其余時(shí)間輸出為低電平。依次類推，輸出端Q只在其對應(yīng)脈沖到來時(shí)才為高電平。六反相器4069集成電路4069又叫六反相器，內(nèi)部由六個(gè)非門組成。非門又叫做反相器，它的特點(diǎn)是當(dāng)輸入是0時(shí)（低點(diǎn)位L），輸出端是1（高電位H）；當(dāng)輸入端是1時(shí)（高電位H），輸出端是0（低電位L）。即輸出的狀態(tài)和輸入的狀態(tài)相反。集成電路4069引腳圖如圖4.5。圖4.5集成電路4069引腳圖比較電路LM358該系統(tǒng)的比較電路主要通過LM358來實(shí)現(xiàn)，電路要對電池進(jìn)行充電比較，把兩個(gè)穩(wěn)壓二極管并聯(lián)，通過選擇開關(guān)來得到兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。根據(jù)需要把基準(zhǔn)電壓同電池電壓進(jìn)行比較，用LM358輸出的高低電平對十進(jìn)制計(jì)數(shù)器MC14017的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。集成電路LM358內(nèi)部有兩個(gè)高性能運(yùn)算放大器，可用正電源或正負(fù)雙電源工作，電源電壓范圍寬，正電源為3.0~30.0V，正負(fù)電源為±1.5~15.0V。內(nèi)部包含兩組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，兩組運(yùn)放相互獨(dú)立。其引腳排列如圖4.6所示，若1IN+大于1IN-，1OUT輸出高電平，否則輸出低電平。圖4.6LM358引腳排列圖4.3.2充放電電路充電部分當(dāng)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器IC3的輸出端C0（12腳）輸出高電平（即前五個(gè)脈沖）時(shí)，反相器IC2d輸出低電平，開關(guān)三極管V3導(dǎo)通，通過電阻R14對電池充電，充電指示燈LED3點(diǎn)亮；當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿使IC3的12腳輸出為低電平時(shí)，IC2d輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電，充電指示燈LED3熄滅。電路如圖4.7所示。圖4.7充電電路充電部分原理圖充電部分元件的計(jì)算和參數(shù)的選擇：選擇10AH，12V的蓄電池時(shí)，充電電流為1A，晶體三極管V3的飽和電壓忽略不記。可得R14為：根據(jù)充電電流大小可以對晶體管V3進(jìn)行選擇，選集電極電流極限參數(shù)為2A、型號為3CK5A的PNP三極管。浮充部分浮充充電部分主要通過晶體三極管V4來進(jìn)行控制，當(dāng)比較器IC4aA輸出低電平（即充電結(jié)束）時(shí)，晶體三極管V4導(dǎo)通，對電池進(jìn)行浮充充電，指示燈LED2（紅燈）電亮。電路如圖4.8所示。圖4.8浮充充電原理圖電路中元件參數(shù)的計(jì)算：其中：為電源電壓，為電池停止充電電壓，為浮充充電電流。根據(jù)充電電流大小可以對晶體管V4進(jìn)行選擇，選擇型號為S8050的PNP三極管。放電部分當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿使十進(jìn)制計(jì)數(shù)器IC3的輸出端C0（12腳）為低電平時(shí)，反相器IC2D輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電。由于IC3的12腳輸出高電平期間，脈沖數(shù)為1~5個(gè)，因此時(shí)鐘脈沖6的上升沿，又使IC3的輸出端Q5（1腳）輸出高電平，開關(guān)三極管V1導(dǎo)通，電池通過電阻R11放電，放電指示燈LED1（黃燈）點(diǎn)亮，電池進(jìn)行放電。其中R12是限流電阻。電路如圖4.9所示。圖4.9放電電路原理圖放電電路參數(shù)計(jì)算，放電電流為：其中：p為輸出功率，為取0.6，：取0.8，Ei為電池電壓。限流電阻為：取，其中：為電池最大放電電壓，為電池最大放電電流。根據(jù)放電電流和工作電壓可以對晶體三極管V1進(jìn)行選擇，選取型號為3DD58A的NPN型三極管。4.3.3電源電路電源電路的組成可以用下圖表示，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成，其框圖如圖4.10所示：圖4.10電源電路框圖電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流濾波電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而，在整流、濾波電路后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。下面著重介紹穩(wěn)壓電路中采用的固定式三端穩(wěn)壓集成電路UA7824（UA7815類似）。UA7800系列三端穩(wěn)壓器具有各種固定的輸出電壓，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在插板穩(wěn)壓時(shí)，可以消減單端穩(wěn)壓的分布問題，同時(shí)它還可以通過外接元件獲得可調(diào)的輸出電壓和電流。三端穩(wěn)壓集成電路UA7800系列的內(nèi)部由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。UA7824三端穩(wěn)壓器引腳圖如圖4.11所示。其中1腳是輸入，3腳是輸出，2腳是接地端。圖4.11三端穩(wěn)壓器UA7824引腳圖UA7824特性簡介：輸出電壓為24V，輸出電流1A以上；內(nèi)置過熱保護(hù)電路，防止因功率過大損壞器件；無需外部元件；輸出晶體管安全范圍保護(hù)；內(nèi)置短路電流限制電路，以限制穩(wěn)壓器的最大電流；晶體管安全期補(bǔ)償，其作用是經(jīng)過晶體管電壓增大時(shí)，用于降低輸出電流。其極限參數(shù)見表4.2。表4.2三端穩(wěn)壓器7824極限參數(shù)表最大輸入電壓35V內(nèi)部耗散功率（注1）內(nèi)部限制工作溫度范圍0℃至+70℃最大工作結(jié)溫+150℃儲藏溫度范圍-65℃至+150℃控制溫度

（恒溫10秒）TO-3封裝+300℃TO-220封裝+230℃對應(yīng)框圖4.10的電源電路圖如圖4.12所示：圖4.12電源部分電路圖4.4電路工作原理電路如附錄1，圖中220V市網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后向充電器提供穩(wěn)定的24V和15V直流工作電壓。反相器IC2A、IC2B與外圍元件組成振蕩器，IC2C是振蕩器的緩沖級，整個(gè)振蕩器為計(jì)數(shù)器IC3提供時(shí)鐘脈沖。IC3為十進(jìn)制計(jì)數(shù)集成電路，其作用是控制充電時(shí)間和放電時(shí)間，充、放電時(shí)間之比為5：1，由時(shí)鐘脈沖的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)IC3的輸出端C0（12腳）輸出高電平時(shí)，IC2D輸出低電平，開關(guān)三極管V3導(dǎo)通，通過電阻R14對電池充電，充電指示燈LED3(紅燈)點(diǎn)亮；當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)時(shí)鐘脈沖使IC3的C0端輸出為低電平時(shí)，IC2D輸出高電平，開關(guān)三極管V3截止，停止充電。由于IC3的12腳輸出高電平期間，脈沖數(shù)為1~5個(gè)，而時(shí)鐘脈沖6使IC3的輸出端Q5（1腳）輸出高電平，開關(guān)三極管V1導(dǎo)通，電池通過電阻R11放電，放電指示燈LED1(黃燈)點(diǎn)亮。當(dāng)時(shí)鐘脈沖7上長升沿到來時(shí)，IC3的輸出端Q5（1腳）變?yōu)榈碗娖?，三極管V1截止，放電停止,指示燈LED1熄滅。經(jīng)過第8個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，其上升沿使IC3的輸出端Q7（6腳）輸出高電平，則IC2E的輸出為低電平，三極管V2截止，電池電壓經(jīng)電阻R13送至IC4A的反相輸入端，與運(yùn)放同相輸入端的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)反相輸入端的電壓低于同相輸入端的電壓時(shí)，則運(yùn)放輸出端保持高電平，充電器可繼續(xù)進(jìn)行充、放電過程；如果反相輸入端的電壓比同相輸入端的電壓高，則運(yùn)放IC4A的輸出端1腳為低電平，IC3停止工作，充、放電循環(huán)過程停止。運(yùn)放IC4A的輸出端1腳輸出低電平使晶體三極管V4導(dǎo)通為電池提供浮充充電，浮充充電指示燈LED2(紅燈)電亮,使電池保持在充滿電的狀態(tài)。故發(fā)光二極管LED2點(diǎn)亮?xí)r，表明充電器對電