家用单相后备式UPS设计BE计[1].

湖南工程学院课程设计课程名称电力电子技术课题名称家用单相后备式UPS设计专业电气工程及其自动化班级0804学号27姓名刘红志指导教师梁锦2011年7月8日湖南工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术题目家用单相后备式UPS设计专业班级电气工程0804学生姓名刘红志学号27指导老师梁锦审批谢卫才任务书下达日期2011年6月27日设计完成日期2011年7月8日设计内容与设计要求一．设计内容1．设计出UPS电路图。2．说明UPS电路原理。二．设计要求1.给出设计原理框图；2.给出具体设计思路，画出电路图；3.编写设计说明书。主要设计条件1．提供实验箱；2．必要的元器件和导线等；说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计总体思路，基本原理和框图；5.电路设计；6.编写设计说明书；7.总结与体会；8.参考文献；9.电路图；10.评分表；11.空白尾页。进度安排十九周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十九周星期一——十九周星期三：查找资料，确定设计方案，画出草图，自取课题名称；十九周星期四，星期五：电路设计，画图；二十周星期一上午——星期二下午：掌握电路原理，打印出图纸；二十周星期三：确定课题名称，书写设计报告；二十周星期四：书写设计报告；二十周星期五：答辩。参考文献1．王兆安，黄俊主编，电力电子技术，机械工业出版社，20002．薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10目录第1章后备式UPS简介........................................................................6第2章设计思路与基本原理框图........................................................7第3章单元电路设计说明....................................................................83.1充电电路................................................................................................83.2逆变电路...............................................................................................93.3转换电路.............................................................................................123.4侦测电路..............................................................................................133.4.1市电输入监测...............................................................133.4.2总输出电压侦测........................................................133.4.3电池电压侦测及保护电路..........................................14第4章总结..........................................................................................16参考文献................................................................................................17附录........................................................................................................18第1章后备式UPS简介UPS（UninterruptiblePowerSystem）即不间断电源供应器，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的开关电源供应器。目前，UPS一般均指静止式UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。后备式UPS也称非在线式UPS，它平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，如图1-1所示，因此后备式UPS也被称为离线式UPS。UPS的工作模式：LINE-MODE：市电提供UPS的能量，经AC-DC和DC-AC的变换，提供恒压恒频的输出；BATTERY-MODE：有蓄能电池提供能量，经DC-DC和DC-AC的变换来提供能量给负载；BYPASS：市电把能量直接提供给负载，没有经过任何的变换；后备式UPS只有后两种模式，其优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让用户有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低，主要用于不太关键的电脑应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式UPS。输入滤波充电器转换开关电池输出逆变器图1-1后备式UPS工作简要示意图第2章设计思路与基本原理框图硬件的设计原则是：系统在满足所要求功能的前提下尽量简单可靠，操控方便。因此硬件的选择既要使输入/输出通道和外围设备相配套,保证系统的功能完善，又要减少项目的投资。设计实现以下功能：当市电供应正常时由市电给负载供电，当市电故障时开始由蓄电池逆变向负载供电然后再转为油机发电供电，系统详细结构框图如图2-1所示。系统主要组成部分有变压整流电路、稳压器、逆变线路、CPU控制线路(各种侦测控制电路)、市电油电转换部分。其中CPU是整个系统的控制中枢，它对系统每个单元实施侦测控制；变压整流滤波电路作为充电电路给蓄电池充电；稳压电路用三端稳压器组成的可调稳压电路稳定充电电压；充电电路在市电正常供电时将交流整成直流给蓄电池充电，保证电池电量充足；市电供应不正常时先用蓄电池缓冲供电，然后通过市电油电转换将油电做交流电源代替市电供电直至市电恢复正常。此设计比较适用作家用短时小型后备电源。转换继电器市电负载操控界面蓄电池电池电压侦测输出电压侦测CPU逆变器市电侦测主线路信号线稳压器油电市电-油电转换开关变压整流滤波图2-1家用后备式UPS详细架构第3章单元电路设计说明3.1充电电路一般充电电路可以分为恒压充电、恒流充电、分级充电三种电路，为了简化电路、降低成本，后备式UPS一般采用恒压式充电电路。这种UPS电源的电池充电电路主要完成以下任务：1、当市电供电正常时，利用来自市电电源的能量对蓄电池组提供直流浮充电源。2、当市电供电不正常时，将电池充电器电路置于关断状态，以避免UPS利用蓄电池所提供的直流能量经逆变器变成50HZ的方波交变电源后，再将方波电源所提供的能量，经电池充电器变成直流电源来对蓄电池本身进行再充电。本设计中充电电路包括变压、整流、滤波、以及稳压部分，将市电或油电转变为低压直流电给蓄电池充电，具体电路如图2-1所示。图3-1充电电路将市电接入充电变压器，变压输出一个低压交流，因电压比较低，充电对电压要求不是很高，故用二极管整流桥整流再经过滤波电路后用可调稳压电路进行稳压处理，再滤波后给蓄电池组充电。3.2逆变电路逆变电路是在市电供应不正常时，将蓄电池直流电压变换成交流电暂时向负载供电的部分。逆变器性能的优劣直接关系到UPS供电的可靠程度。选用的是直接驱动的功率MOSFET，其驱动电路简单，比较经济。直接驱动有以下几种基本形式。图中3-2(a)是最基本的形式，功率MOSFET的控制功率较小时可以采用。图3-2(b)是针对3-2(a)驱动能力弱的特点，加入了一级射极跟随器，并且在T的发射结反并了一个二极管D，其目的是为输入电容提供通路。图中3-2(c)是将图3-2(b)中的二极管D改为三极管T，其作用是当VC为低电平时，T导通为输入电容提供放电通路。一般人们将T1和T2按图中连接的电路称为推挽电路，在实用电路中较为常见。T2RgT1ZLVDVGVC（c）图3-2直接驱动的功率MOSFET基本电路DRgRES2TZLVCVDVGRgZLVDVG(a)(b)本设计采用单相桥式逆变电路，其原理图如图3-3(a)、(b)所示。通过PWM控制芯片SG3525来控制逆变，SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的，其详细功能这里不作赘述。我们用11、14两管脚控制四个MOSFET的通断，实现电流逆变。11、14管脚是两路互补输出端，通过后面的变压器输出两路同名电压来控制上面4个MOSFET，正因为是互补输出，所以四个MOS管能交替导通，实现逆变。比如14脚先输出高电平，通过后面的NPN型三极管VT1使T3输出两路同名电压，Q1-B/Q1-E、Q4-B/Q4-E分别使MOS管Q1、Q4导通，而Q2、Q3则不导通，此时电池电流流向是：正极-Q1-C1-T2上-T2下-Q4-电池负极；同理，SG3525的11脚高电平时，电流路线是：正极-Q2-T2下-T2上-C1-Q3-电池负极，调节SG3525其它管脚的阻抗值就能使11、14脚输出频率为50HZ，即让4个MOS管输出频率为50HZ的正弦波，实现逆变功能。（a）（b）图3-3逆变电路原理图3.3转换电路转换电路包括两部分：市电-电池转换部分，市电-油电转换部分；市电-电池转换是用来在停电时争取后面市电-油电转换的时间，待油机启动发电后，自动断开逆变电路，由油机发电代替市电并经过一系列调整后向负载供电，保证负载正常运行。如开关打向上时则U2导通，接通市电供电线路，开关打向下时U1导通，接通逆变供电线路。具体电路图见图3-4。图3-4市电-电池转换电路市电-油电转换则只能在停电后通过人工启动油机发电后手动切换，具有一定局限性，因电路比较简单，这里不做详细说明。3.4侦测电路3.4.1市电输入监测市电输入检测是利用降压变压器将市电降压整流滤波边为直流，再检查该直流电压有无，以判断是否有市电输入。如图3-5所示。当有效值为220V的市电电源经市电输入检测变压器GT1降压处理后，得到一个正弦波信号V2。市电电压检测信号由V2送入单片机。CPU根据此信号的不同情况对市电-电池开关做出不同控制，可见图2-1系统详细架构框图。GT1D9D10V2~220V图3-5市电输入侦测3.4.2总输出电压侦测在系统输出线路上安装取样反馈互感器，经全桥整流，电阻分压后送入CPU，对输出电压实行实时侦测，如图3-6所示。图3-6输出电压侦测电路3.4.3电池电压侦测及保护电路蓄电池在使用过程中常因为过充电或过放电而损坏电池板，而过放电造成蓄电池的化学物质无法恢复从而减小蓄电池的容量。为保证蓄电池免受上述损害，必须设置保护电路。后备式UPS的运行中，当市电供电出故障时，UPS将进入由逆变器向外送出方波电源的局面。一旦出现这种局面，电池组将通过放电的方式向逆变器提供直流能量。随着电池放电过程的不断进行，电池组的端电压将不断下降。当电池两端电压低于它两端放电终了电压称为欠压。蓄电池在放电后期不仅两端电压快速下降，过度放电会损坏蓄电池，故蓄电池电压下降到某一数值时，必须进行欠压保护。电池电压取样主要是作为逆变时停止逆变以及有市电时对蓄电池充电控制的依据，按密封免维护铅蓄电池充电电路规范，在电池电压低于47V时应停止放电，并立即充电。当充电至53V时，应停止充电，且充电电流应符合电池要求。电池电压取样侦测电路如图3-7所示。图3-7电池电压取样电路及过低自动保护电