小功率UPS电源的设计与制作

小功率UPS电源的设计与制作摘要：本文在对整流滤波电路和逆变电路的分析中，选取了多种电路进行分析，通过参数对比、性能对比，以及根据小功率ups应用中的实际要求，从中选择出较为合适的电路，例如在对整流滤波电路的选择中，详细对比了单相桥式整流滤波电路和单相全波整流滤波电路，并给出了选择单相桥式整流滤波电路的原因。关键词：ups；结构设计；供电系统ups电源已从上世纪60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，ups电源一般均指静止式ups电源，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，按照ups电源功率的大小可分为大、中和小三个分区类别，其中小功率ups电源系统定义为功率小于3kva的电源产品。一、概述ups电源主要由主机及蓄电池、电池柜等组成，分为在线式、后备式及在线互动式等多种，根据频率分高频机和工频机，它在机器有电工作时，就将市电交流电整流，并储存在自己的电源中，一旦停止供电，它就能提供电源，使用电设备维持一段工作时间，保持时间可能是10分钟、半小时等，延时时间一般由蓄电池的容量决定。在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，ups电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。二、设计要求主要研究小功率ups的设计原理及简单设计，设计方案采用ups后备式工作状态，对非严格要求的供电场所提供较为优质的不间断电源系统，防止突然断电而影响正常工作或是给机器造成损害，论文着重对ups供电设计方案中的整流滤波电路部分、逆变电路部分、蓄电池部分进行介绍和分析，对该ups小功率的供电系统进行简单的介绍，包括其功能、用途、工作方式等，根据已掌握的知识对小功率ups供电系统的原理进行分析和简单设计，并且能满足非严格要求的供电场所不间断供电的要求，通过针对ups的各不同工作方式进行比较分析，并根据设计要求进行方案设计，其电路主要参数：输入电压：单相220v?？0%；输入频率：50hz?？%；输出电压：220v；输出频率：50hz。三、小功率ups供电系统方案设计（一）整流滤波电路部分在ups中，输入电路的第一个环节就是整流器/充电器，不过小功率的整流器和充电器是分开的，在对ups进行设计分析时，非常有必要对整流滤波电路进行分析。由于变化多端的市电输入后，首先由整流器进行加工，所以掌握整流器中电流的流向和一般计算方法，知道几种整流的区别及特点，对于正确使用ups和判断故障是很重要的。1、单相半波整流滤波电路图3-1单相半波整流滤波电路原理图如图3-1所示为单相半波整流滤波电路原理图，由于整流器具有单向导通的特性，所以输入电压u1经二极管vd整流后就变成了单相脉动波u0，而输入的负半周被隔离掉。一般整流器后面都有电容滤波器，如图3-1所示中c将脉动波变成直流波uc。2、单相全波整流滤波电路图3-2单相全波整流电路原理图及整流波形图单相半波整流电路一般都用于小功率的情况，当功率稍微增大时必须用全波整流。如图3-2所示为单相全波整流电路原理图及整流波形图，不难看出，这是两个单相半波整流器的组合，电路前增加变压器，目的是为了使次级电压可以根据设计的要求随意变换。3、单相桥式整流滤波电路单相桥式整流滤波电路原理图，这种整流工作方式和前两者不同，前两者的工作过程中电流在每半波只流过一只整流二级管，而这种工作方式下每半波的电流流过两只整流二极管。综合讨论上述三种整流滤波电路，均非常简单，但是各有特点。全波整流虽然只用了两只二极管，但是却多用了一组变压器绕组，且要求二极管反向耐压值为输入电压峰值的二倍，单相桥式整流电路虽然多用了两只二极管，却少用了一组变压器绕组，对二极管反向耐压的要求也低了一半，因此，虽然后两种电路都是输出全波，但综合各自优缺点，最终选用单相桥式整流滤波电路。（二）开关电源部分在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，ups电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。开关电源原理，额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为ups电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足ups电源70%的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。ups电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50%并留有一定的余量，ups电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时，半容量为1小时。（三）逆变电路部分在逆变器中，完成直流变交流的电能前向主通道为逆变主电路，它主要由功率开关元件，变压器及电解电容等构成，通过控制功率开关元件有规律的通和断，使电流按预期的途径流通而实现直流到交流的变换。单相半桥式逆变电路是由直流电源e、分压电容器c1和c2、功率开关器件vt1、vt2和输出变压器t等所组成，工作原理：在说明半桥式逆变电路的工作原理之前，要明确的是电路中的分压电容器c1与c2的容量相等，即c1=c2，同时，假设电容器的容量足够大以至于在电路工作过程中c1和c2两端电压几乎不变，即此时有uc1=uc2=e/2。下面说明电路的工作原理。首先，令ug10，ug20，ug10，于是vt2导通，vt1截止。期间，电容器c1充电，其路径为e+→c1→变压器初级绕组→vt2→e-，电容器c2放电，其路径为c2+→变压器初级绕组→vt2→c2-。在vt2关断而vt1未导通前这段时间，电路中”1”端和”2”端间的等效串联电感通过vd1向电容c1释放能量。通过对单相推挽式逆变电路的分析可知，若在直流电压e和输出功率相同的条件下，该电路与全桥式逆变电路相比较，虽然少用了两个功率开关器件，但是所用的器件的耐压值却要高一倍，而且变压器的初级要有中心抽头，这给变压器的制作增加了难度。但是由于小型ups中的蓄电池组电压较低，功率开关器件耐压值就算取4倍的直流电压值也不过几百伏，加上推挽式逆变电路的变压器初级回路只有两个功率开关管，因而其功率开关管的导通损耗比全桥电路的少，所以在小功率ups供电系统中逆变电路部分选择使用单相推挽式逆变电路。（四）充电电路部分在介绍蓄电池充电电路之前，先介绍蓄电池的充电电压、充电电流、充电方式。1、充电电压由于ups蓄电池属于备用工作方式，在市电正常的情况下处于充电状态，只有停电时才会放电，为延长电池的使用寿命，ups的充电器一般采用恒压限流控制方式，蓄电池充满后即为浮充状态。对于端电压为12v的蓄电池，正常的浮充电压在13.5～13.8v时，即认为是过压充电，严禁对蓄电池组过压充电，因为过压充电会造成蓄电池中的电解液所含的水被电解成氢气和氧气逸出，使电解液浓度增大，导致蓄电池寿命缩短甚至烧坏。2、充电电流蓄电池充放电电流一般以c来表示，c的实际值与蓄电池容量有关，充电电流过大或过小都会影响蓄电池的使用寿命。理想的充电电流应采用分阶段定流充电的方式，即在充电初期采用较大的电流，充电一定时间后改为较小的电流，充电末期改用更小的电流。充电电流的设计值一般为0.1c，当充电电流超过0.3c时可认为是过流充电。过流充电会导致蓄电池极板弯曲，活性物质脱落，造成蓄电池供电容量下降，严重时会损害蓄电池。避免用快速充电器充电，否则会使蓄电池处于瞬间过流充电和瞬时过压充电状态，造成蓄电池可供使用电量下降，甚至损坏蓄电池。3、充电方式铅酸蓄电池放电产物是硫酸铅，若不及时转化掉，会使蓄电池处于充电不足状态，从而降低蓄电池放电容量和缩短蓄电池的使用寿命。因此必须使蓄电池处于充足电状态。一般采用恒压充电制，针对不同情况，可分为浮充充电和均衡充电两种充电方式。下面对后备式ups充电电路做简单介绍：为了简化电路、降低成本，后备式ups通常采用恒压充电。恒压充电电路由降压变压器、整流桥模块、集成稳压电路组成。后备式充电电路原理图，以24v恒压充电电路为例说明其工作原理。220v市电经降压变压器t后变为27v交流电压，该电压经整流桥及滤波电容c整流滤波后变为平滑的33v直流电压。该直流电压经三端可调集成稳压芯片lm373稳压后输出，通过调整可调电阻vr的大小可调整lm373的输出电压。对于恒压充电电路，一定要合理调整其输出的充电电压。若充电电压过高，则充电初期的充电电流就会过大，容易损坏蓄电池，而充电电压过低，则充电后期的充电电流就会过小，造成充电不足，ups后备工作时间就会达不到设计要求。对于24v蓄电池组，其放电终了电压为1.75?？2=21v，充电终了电压即浮充电压为2.25v?？2=27v，所以一般将充电电路的输出电压调整在27v左右，此时通过调整串联在充电器与蓄电池之间的限流电阻r0来限制充电初期的充电电流不超过0.2c，充电后期的充电电流接近0.05c。图中二极管vd为保护二极管，其作用是防止当市电中断时，lm373的输出电容c反向放电而损坏lm373。四、结语ups中常用的电路包括整流滤波电路、功率因素校正电路、锁相电路、充电电路、保护电路、显示电路等。在本仅介绍了小功率ups中的几个主要电路，整流滤波电路，开关电源电路，逆变电路，充电电路，以及蓄电池部分。根据分析ups的工作原理及过程，由于蓄电池充电为直流充电的缘故，可以得知，最主要的电路是逆变电路部分和整流滤波电路，在完成交流-直流-交流的变换过程中，整流滤波和逆变电路起着非常重要的作用，当然其它诸如保护电路、充电电路等，在对ups的功能发挥以及工作运行过程中的完善有着必不可少的作用。参考文献：[1]段善旭，雄健，康勇.一种ups的数字化锁相及旁路开关检测和切换控制技术[j].电工电能新技术，2004，（1）.[2]dipl-ing，wilheimsolter.anewinternationalupsclassificationbyiec62040-3，iee，2001.作者简介：李凯，西安外事学院学生。