充电电路的工作原理

充电电路工作原理蓄电池与逆变器对直流电源的要求不同：逆变器要求直流电源提供稳定电压；蓄电池要求直流电源提供的电压能随着蓄电池的充电过程而变化。为了解决蓄电池、逆变器对直流电源的不同要求，故UPS分别设置整流器及充电电路。根据UPS容量大小、工作方式不同，充电电路可分为恒压充电、恒流充电、分级充电等电路。介于充电电路在整个系统中的重要作用，我做了多方面的考虑，最后决定采用高压快速充电电路。在此所用的高压快速充电电路不但解决了UPS内部蓄电池的快速充电问题，而且解决了一般不能快充外接蓄电池的问题。工作原理分析：该电路适用于长备用时间、大容量蓄电池的充电。它由以下几个部分组成：（1）加电电路在不加交流输入电压时，继电器J2的中间触点a2和b2相连，如果这时开关K是闭合的，那么外加蓄电池电压就和UPS内部蓄电池形成并联结构，此时控制电路由于没有电源而不能工作。当市电电压220V加到输入端时，由于继电器J1的触点处于断开状态，因而交流电压220V就不能加到变压器T1上。当按下按钮N1时，J1被激励，触点J1闭合。这时电流经限流电阻Rx加到变压器T1上，等到变压器初级绕组的电压达到一定值时，J3被激励，触点闭合，将电阻Rx短路。在交流220V加到输入端的同时，J2被激励，继电器触点a2转接到c2，于是电池组电压UB经R2、VD6加到控制电路上。N2为按断开关，在未按下开关N2时其处于闭合状态将两个单结晶体管振荡器的发射扳旁路，故振荡器不工作，电路处于静止等待状态。加电电路中之所以加入了J3和Rx环节，是因为一般电源变压器的匝间电容使加电前沿的电流被旁路，磁通不能马上建立起来，形成很大的短路电流。如未变压器容量再增加，这种启动瞬间短路电流就会更严重。因此，在加电前瞬间用电阻Rx限流，当变压器上电压升到一定值时，再将Rx短路就可避免这种情况的发生。当按下开关N1瞬间，由于有上述的过程，最好不要马上供电。在N2被按下，该开关处于断开状态，电容C5的充电能延缓振荡器的起振，只有当C5上电压上；升到一定值时，振荡器才开始工作。（2）振荡电路Q1、R4、R5和C2、T2，Q2、R9、R10、C3和T3组成了两套单结晶体管振荡器。之所以采用单结晶体管方案，是因为它电路简单而且能瞬时给出大的触发功率，可直接驱动可控硅。在需要给蓄电池组充电的情况下，单结晶体管振荡器呈连续振荡，其波形图如下图所示：图2．7单结晶体管振荡器波形Ue为发射极波形，eb1为第一基极b1的输出波形，其振荡周期可用下式表示：11InTCREE（2-2-10）式中，T为振荡周期（s），RE为接在单结管发射极的电阻（Ω），这里是R5和R9，CE为单结管射极的电容（F），这里是C2和C3，η为单结管的分压比。由基极变压器将控制脉冲加到主回路可控硅的控制极上。单结管振荡器的发射极各与两个并联运算放大器的输出相连，因而它们的工作状况受相应运算放大器的控制，振荡脉冲的有无与疏密随着相应运算放大器的工作状态而改变。（3）测量与控制电路1）限流与恒流控制电路蓄电池经过一定时间的放电进行再充电时，初始充电电流很大，所以要进行限流，即在充电电流超过其规定值以前，将其恒定在规定的限流值上。由图中可以看出，运放U1的4端和6端均接基准电压，即U1-4=U1-6，而U1-5=U1-7的电压为两个电压之差，即U1-5=U1-7=U1-5B=U1-5A－U1-AB在上面的式子中，U1-5A为U1引脚5至A点电压，U5B为U1引脚5至B点的电压，U1-AB为充电期间，充电电流在导线BA上形成的压降，其方向和原来不充电时风上的电压极性相反。U1-5＞U1-4运放U1（LM339）输出开路，不影响振荡器工作。一旦充电电流很大时，则U1-5=U1-5A－U1-AB=U1-5A－I充RAB接近了U1-4=U1-6值，运放进入放大状态，其输出就对两单结管发射极产生了旁路作用，从而降低了C2及C3的充电速度，降低了脉冲频率，延迟了对可控硅的触发时间，调整了导通角，达到了限流恒压充电的目的。2）电压测量与控制电路由图中可以看出，和运放Ul的两输出端1、2并联的还有U2的两个运放输出端1、2，这就是电压的测控环节。在高压充电电路的电路设计中是这样规定的：当充电电压在预设值以下时，运放的输入端电压U2-4=U2-6U2-5和U2-7所以比较器U；的这两个输出端是开路状态，两个振荡器都正常工作。当充电电压UB达到第一限值时，U2的6端电平大于7端电平，则1端输出低电子，振荡管Q2的发射极被嵌位，于是由Q2构成的单给管振荡器停振，对应的可控硅VT2截止，快充结束，只剩下浮充（实际上这时仍是快充，不过其平均充电电流减半）。当充电电平达到第二限值时，比较器U2的U2-4≥U2-5，使该组件为放大或开关状态，开始对第二只可控硅VT1进行相控，同时电压UB就稳定在这个电平上，电压变化小于0.1V。4）冷却控制电路这里采取的是强迫风冷。我们考虑到很多要求长备用时间的UPS电源是昼夜24小时开机的，但充电电路在大部分时间内都处于浮充状态，平时并不需要让风机始终工作在强风冷却状态。为了延长风机的寿命，加入了冷却控制电路，由比较器U1的输入端8、9脚将信号引入，在电路进行全充电时，U1的输出端14脚为低电平，所以比较器U2的输入电平U2-8＜U2-9，14脚输出高电平，经VD14去驱动Q4，从而继电器J4被激励，其中心触点将风机FAN接入220V全电压电路，进行强风冷却。当蓄电池电平达到第一限值时，U1的14脚输出高电平，则比较器U2的U2-8＞U2-9，其输出端14脚输出低电平，使Q4截止，其中心触点与降压输出相连接,于是风机FAN作降压运行，风力减弱，从而减轻了风机的磨损,节省了电力，降低了噪声。5）主回路主充电回路主要包括两只可控硅和两只二极管整流器。为了提高触发效率和进行隔离，采用了脉冲变压器隔离触发，在可控硅控制极的二极管是用来对控制脉冲进行整形的。6）用继电器输出，实现了充电时与逆变器的隔离。充电电路中各主要多数的计算（1）交流指示图中采用的10mA／1．5V正向压降的发光二极管指示状态kmAVR22102201(2-2-11)wRIP2.221(2-2-12)（2）Rx根据不同变压器容量取不同值，在这里我们的参数是10kVA,16块电池（12×16＝192V）,浮充电压（设电池每单元浮充电压为2.25V，一个12V电池由六个单元构成）U浮＝（2．25X6）X16＝216V，熔断丝RD取6A，则:366220RDXIUR(2-2-13)功率Px＝IU＝6*220＝1320W(2-2-14)实际上，RX的使用只是一瞬间的事情，甚至来不及发热，J3已将其旁路了。为了保险起见，取10W足够了。（3）J1，J2和J3均取绕组电压为220V，触点电流为相应容量的继电器就可以了。（4）稳压管DW8、DW9的选取：使UDs＋UD≈24V，电流取10mA。其余各稳压管均取2CW54（2CW13）型6V／10mA即可。（5）单结管振荡器图中单结管选用了500mw的BT33F，由表查得η在0．65～0·85之间，取0·75，其振荡周期为EEEECRInCRT39.111(2-2-15)振荡周期较短可提高稳压精度，但不太显著；而较长其影响却非常显著，取振荡频率为IkHz左右就可以了。若取T＝1ms，则3310*719.039.110*139.1TCREE(2-2-16)根据触发脉冲的宽度，取CE=0．1μF就够了，故kRE19.7101.010719.063(2-2-17)取8．2kΩ。由于功率很小，取l／4W就可以了。以下的计算，如无特殊说明，均取1／4W。（6）限流环节因为基准电压为6V，即运放U1的4脚与6脚电压为6V，只要电位器W1可以将其5脚、7脚电压调到6．5V即可，为此取通过R7、W1的电流为lmA，则kmAVWR2412417(2-2-18)那么117WWRUPUA(2-2-19)于是kUAUPWRW624624171(2-2-20)取标称值6．8kΩ，则R7=24－6．8=17．2k0，取18kΩ。取18kΩ验算是否UP＞6V。因为VUWRWUAP6.6248.248.6171(2-2-21)所以满足要求。（7）电压测控环节此电路电压分两挡控制，第一档为电池开始冒泡电压，第二挡为每单元电池达到2.25V电压。不同型号和不同厂家的电池其冒泡电压有所区别。对于开放式半密封胶体电池来说，通过加电过程的观察，按实际情况定；而对密封电池，每单元电压按2V计算。设胶体电池在充电电压使每个单元电压达到2.25V时为第一限，这时的充电电压为UB=（2．25*6）*16=216V(2-2-22)仍设电阻臂电流为lmA，并设M点电压在216V充电电压时，UM≈6V，于是kmAVWR2161216214(2-2-23)kUUWRWBM621662162142(2-2-24)取标称值6．8kΩ，则R14=216－6=210kΩ，为使取值和第二限值统一，考虑给W2以较大的调节范围，故取R14=210kΩ。只要保证在第一限值216V以前UM6V，在216V以后UM＞6V，在第二限值（2．3*6）*16=220.8V以前UN＜6V，在220.8V以后UN＞6V就可以了。为此，对上述两条分别作一个计算，即只要保证将W2=W3=6.8kΩ全值投入后，在216V充电电压时，M点分压大于6V就可以了。第二种计算就不需要了，因为216V时，UM＞6V，220.8V时当然更大于6V了。该计算是：VUWRWUBM68.62162108.68.62142(2-2-25)计算结果满足要求。因此，只需根据要求把电位器值适当调小就可以了。（8）低压准备停机测量环节当电池放电时，原来充入的电荷会慢慢消耗，当电池组端电压降到一定值时，就应停止再放电，否则将会损害电池。这里设每个单元电压低到1．75V（这对多种电池都留有余量）时，R18上的电压UR18≤6V，使比较器U2的输出端13给出低电位，低压警告指示灯亮。同样设在每个单元电压为1.75V时，电阻臂R17、R18流过1mA电流，则：kmAVRR168116675.11817(2-2-26)kRRR61686181718取6.2kΩ(2-2-27)kRRRR8.16118181717取168kΩ(2-2-28)那么VURRRUBR97.72161682.61817188(2-2-29)也即电阻R18取大了，但R17和R18邻近的标称电阻又相差太大，最好取6．2kΩ的电位器更灵活一些。（9）电解电容的取值电路中的电解电容都是作平滑之用的。C1和C6是作平滑辅助电源之用，它的作用是在充电脉动电压期间，使辅助电压波动不要超过额定值的5％。电容的充电规律为tBctUU1(2-2-30)式中t为充电脉冲持续时间。在这里作一级近似，即设原来C上的直流电压是不变的，只在充电半波高出电池电压的部分电容上电压才变动，则Uct即为变动电压，而UB为充电电压脉动高出电池电压部分的峰值。而在此的交流峰值电压VVUM2381682而电池标称值电压为12VX16=192V，Um高出电池标称值电压46V，即UB=46V，则:612CCR(2-2-31)R2为降压电阻，控制电路的等效电阻为1kΩ，消耗电流30mA左右，也即kmAVVR6.530241922(2-2-32)式中24V为辅助电源电压，R2上功耗为P2=30mA×60V≈1.8W，所以R2取6kΩ／4W电阻。一般这样估算，即当电池电压在最低值（168V）时，开始充电，在高出168V的时间就是t，如下图所示:图2．8充电时间图根据正弦波定义，电压瞬时值sinsinMMUtUe(2-2-33)那么36238168sinsin11MUe