谢志超UPS不间断电源的设计

毕业设计姓名：谢志超专业：机电一体化班级：机电1001班指导教师：史琳芸电子信息工程系印制二○一二年十一月宝鸡职业技术学院毕业设计任务书姓名：谢志超专业：机电一体化班级：机电1001班设计课题：UPS不间断电源的设计指导教师：史琳芸电子信息工程系印制二○一二年十月毕业设计题目：UPS不间断电源的设计毕业设计目的：通过本次课题设计，使学生较系统掌握应用所学专业知识设计电子电路的一般方法，提高学生综合分析问题和解决实际问题的能力，为今后从事相关专业研究奠定基础。毕业设计任务：使用交流220V,通过一个UPS不间断电源电路得到稳定的电压，且电路具有过压和过流保护，工作性能稳定，带负载能力强。毕业设计主要技术数据：（1）电源采用市电和蓄电池供电，通过转换开关转换。在市电停电时，有蓄电池经过逆变的方法，输出220的交流电，平时蓄电池进行充电。（2）具有过压和过流保护电路。（3）对电路各点的电压、电流进行分析，并画出其波形变换图形。毕业设计工作量要求：论文正文应具有不间断电源的设计电路图及其原理说明，字数不少于5000字（不包含图所占）毕业设计进度计划：第1周下达毕业设计任务，认真分析选题所要完成的任务及设计所需达到的技术指标，并向指导教师汇报自己的理解，由指导教师指出学生对该设计存在的问题，对于合理建议应给予肯定。第2周查阅相关文献资料，对设计中存在的问题及时和指导教师进行交流；第3周通过查阅相关文献资料，初步确定设计方案，并及时和指导教师交流，征求指导教师意见。第4-5周按照主要技术数据对初步设计方案进行进一步修改，按照修改结果初步试画出应急灯电路原理图，征求指导教师意见。第6周使用相应软件软件画不间断电源的电路原理图；第7周整理资料，撰写格式规范的毕业设计报告并交指导教师审阅；第8周准备答辩纲要，进行毕业答辩。毕业设计应完成的技术资料：论文参考文献：1.浣喜明电力电子技术高等教育出版社2011.72.谭恩鼎电工基础高等教育出版社2000.93.王廷才彭慧纯Protel99SEEDA技术及应用机械工艺出版社2008.54.2001.75.UPS20036.UPS20067.19988.1998教研室主任意见：系主管领导意见：任务下达日期2012年9月19日规定完成日期2012年11月19日摘要随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展UPS不间断电源根据UPS不间断供电的原理UPS的可靠性为基本点UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。整个UPS主电源装置由整流/充电器、逆变器、静态旁路、维修旁路等部分组成。整流/充电器(包括蓄电池)为UPS提供在线工作的能量输入逆变器为UPS提供在线工作的高质量的稳压稳频的交流电输出UPS在整流/充电器或者逆变器故障情况下提供旁路工作电源目录第一章概述·········································11.1UPS的发展历程······························11.2UPS发展的前景······························1第二章系统整体设计方案·······························22.1UPS电源不间断供电的原理····················22.2UPS总结构框图······························3第三章单元电路设计···································43.1降压并滤波······························53.2整流电路································53.3稳压电路给蓄电池充电····················63.4逆变器及逆变电路························63.5斩波电路信号的产生······················83.6变压器变压并滤波输出····················93.7UPS切换开关····························9第四章总体电路图····································10第五章结论··········································11第六章致谢··········································12第七章参考文献······································12概述自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心的问题。对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的性能指标，更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无可挽回的损失。所幸的是不间断电源UPS(UninterruptiblePowerSystem)的出现为解决这个问题提供了广阔的前景1.UPS的发展历程：最初的UPS是由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持。随着社会技术的提高，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS。2.UPS的发展前景：从以上可看出UPS从当初发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源、医药、交通、通讯系统等领域。特别是从技术内含意义上讲，从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济效益。由此可看出，UPS已当之无魄成为当代高科技成员，而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。第二章系统整体设计方案UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源市电发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能保证供电质量，使负载供电不受影响。实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成，如图2-1所示:图1UPS基本组成框图在此基本组成电路中当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。如果要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。2.1UPS电源不间断供电的原理负载间断供电的原因，造成负载间断供电的原因有很多，概括起来主要有:1.交流输入电源市电突然发生停电。造成这种突然停电的原因较多，如用户发生故障或事故.造成电源跳闸.雷击造成短路而跳闸.或者由于雷击引起输电线断裂.鸟害引起断裂而跳闸.台风或龙卷风将输电线刮断等。2.交流输入电源发生瞬间停电。3.电源装置发生故障而中断供电。因此，解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。从UPS基本组成原理图1可看出，（1）在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量，一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。（2）当逆变器发生故障时，很明显，图1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。2.2UPS总结构框图：UPS结构图如图2所示：为在线式UPS的原理框图，其基本原理是，当市电正常时，从输入端输入220V电压，经过变压器将电压变小，在滤去杂波，整流成直流电压，经过斩波和稳压给蓄电池充电，以保证蓄电池充足的电量，再经过PWM逆变电路将直流变为交流，经过升压变压器变为所需要的电压，在用交流滤波滤去杂波。一旦市电发生变化或者停电，就由蓄电池工作，代替整流器输出直流电，经逆变成恒压恒频的交流，因此供电不受市电停电的影响。在线式UPS无论市电是否正常，其功率流程都是“市电—滤波一整流滤波-逆变器-静态开关-输出”。只有当逆变器发生故障或过负荷时，才通过静态转换开关切换到市电旁路，其功率流程是“市电-静态开关-输出”。UPS应包含交流滤波器.整流器.斩波器.稳压器.逆变器等等器件和线路。图2UPS结构原理图第三章各单元电路设计3.1、降压并滤波：如图3所示:从电网上输入220V交流电,经过变压器将电压降低,再经过交流滤波器L5.C10把杂波滤去。图3变压器与交流滤波3.2、整流电路：变压器T1交流电输入，经过整流电路将电压转换成直流给蓄电池充电，采用升压斩波方式，由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RL低通滤波器，通过串联一个电感L1，滤除电流的高次谐波，并联一个电容C1滤除电压的高次谐波，以减小纹波电路。如图4所示：这是一种能够抑制输入高次谐波干扰及改善功率因子的电路，采用PWM控制方式，由SG3525的管脚1跟踪控制，采用这种控制方式，能使输入电流为正弦波，而输入功率因子接近于1.由图可知：经二极管整流桥整流成直流。Q1导通时，电路C1放电，电感L1储存能量，Q1关断后，电感释放能量，给电容充电及给负载提供能量。同时，整流电路前设置个熔断器可以有效保护电路及其元器件不被损坏。图4整流与斩波电路3.3、稳压电路给蓄电池充电：如图5所示：斩波出来的电进入LM137后进行稳压，LM137的接地管脚连一个三极管，输出端3连两个电阻用来保护电路，后直接接二极管给电池充电，以连续的供给电流。图5稳压充电电路3.4、逆变器及逆变电路：逆变器采用正弦波PWM逆变器方式：图6所示为正弦波单相全桥逆变器电路。各个IGBT的栅极信号为180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的栅极信号互补，V3与V4栅极信号互补，控制方式采用三角波PWM方式，但UPS负载一般为电容输入型，因输出电流峰值高，使输出电压波形畸变，为此要采取相应措施。目前采取措施是通过提高载波频率，加快控制响应，并应用瞬时波形控制方式使输出电压接近正弦波。图6正弦波逆变电路逆变电路SG3524为逆变器的核心电路如图7所示，逆变频率由R17和C7以及SG3524片内振荡器决定。SG3524的11和14脚的驱动输出由9脚的高电位决定。逆变电路工作后，R8的大小，C15滤波，回馈回SG3524的1脚，作为比较电压同2脚的基准电压进行比较，改变11和14脚输出波形的占空比，使逆变器输出的电压稳定在220V。逆变原理分析，IGBT的G极触发脉冲由SG3524的11、14脚提供。T2、T5同时触发，T3、T4同时触发。当T2、T5触发时，交流输出电压上正下负，T3、T4触发时，交流输出电压上负下正。当T2、T5关断后，由于有电感存在，电流通过D7,D10续流，当T3,T4关断后，由D8、D9来实现续流。电路中的电容C5和电感L2不仅能限制电压、电流的跃变，还能为阻感负载提供无功能量。SG3524的基准源属于常规串联式直流稳压电源，它由集成块内部的谐波发生器，PWM比较器等组件向外提供5V的工作电压。由振荡器先产生0.6V~3.5V的锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压，送至触发器、或非门，并由管脚3输出。SG3524的工作原理，开关电源输出电压经取样处理后送至放大器的反向输入端，与基准电压比较后，将产生的误差电压送到PWM比较器的一个输入端，另一端接至锯齿波发生器，由此可控制PWM的脉宽调制信号，最后依次通过或非门HF1,HF2功率放大器VQ1,VQ2输出。图