湖南工程学院UPS不间断电源课程设计

课程设计课程名称电力电子技术课题名称在线式UPS设计专业班级学号姓名指导教师20XX年X月XX日2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在线式UPS设计专业班级电气工程学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期20XX年X月30日设计完成日期20XX年X月12日3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。4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。5进度安排十五周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十五周星期一——十五周星期三：查找资料，确定设计方案，画出草图，自取课题名称；十五周星期四，星期五：电路设计，画图；十六周星期一上午——星期二下午：掌握电路原理，打印出图纸；十六周星期三：确定课题名称，书写设计报告；十六周星期四：书写设计报告；十六周星期五：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，20013.陈汝全，电子技术常用器件应用手册，机械工业出版社，19984.钱希森，小型UPS原理及应用，科学出版社，20005.张乃国，电源技术，中国电力出版社，19986.李成章，现代电源及电路图集，电子工业出版社，20017.张乃国，UPS供电系统应用手册，电子工业出版社，20038.陈治明，电力电子器件，机械工业出版社，19929.王其英，何春华编著，新型UPS工作原理与实用技术及选购指南，20066说明书目录一、UPS总结构框图…………………………7二、单元电路设计…………………………72.1降压并滤波………………………………82.2整流电路………………………………82.3稳压电路给蓄电池充电……………………92.4、逆变器及逆变电路………………………92.4.1逆变器采用正弦波PWM逆变器方式…………102.4.2逆变电路………………………………112.5斩波电路信号的产生……………………122.6变压器变压并滤波输出…………………132.7UPS切换开关……………………………14三、课程设计总结及心得体会……………15四、参考文献………………………………17五、总体电路图……………………………18六、课程设计评分表………………………197一、UPS总结构框图：UPS结构图如下图所示，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(掉电时为电池)-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”。有的用户还备有柴油发电机，可以在市电停电5^-10秒之内投入到UPS电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波电源。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1、UPS结构原理图二、单元电路设计：2.1降压并滤波8图如下，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。T1输入220交流L5INDUCTORC10CAP图2变压器与交流滤波2.2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3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。91234D1-D4BRIDGE1C1CAPD5DIODEL1INDUCTORQ1PIGBTF1FUSE1图3整流与斩波电路2.3稳压电路给蓄电池充电如下图，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。BTC2CAPD6DIODER2RES2R1RES2R3RES2Vin1GND2Vout3U1LM137Q2NPN直流输出直流输入图4稳压充电电路2.4、逆变器及逆变电路102.4.1逆变器采用正弦波PWM逆变器方式图5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5中直流侧经逆变器后，再接变压器T2的一次侧线圈，由变压器二次侧线圈输出。V2PIGBTV1PIGBTV4PIGBTV3PIGBTVD1DIODEVD2DIODEVD3DIODEVD4DIODEC4CAPC5CAPL2INDUCTOR输入直流电输出交流电图5正弦波逆变器电路112.4.2逆变电路SG3524为逆变器的核心电路如图6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，在整流和逆变输出成正比的电压，调节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。12R9RES2R11RES2R4RES2R16RES2R8RES4C712VVERTCTSEN-SEN+SDIN-IN+REFCOMPNOSC/SYNCCACBEAEBGROUND14811131239161521104576R17RES2R15RES2C16CAPR8RES2C15CAPSG35245V图6SG3524逆变电路2.5斩波电路信号的产生此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图7所示：13OSCOUTRTDISCCMPENGNDVCCVCOUTAOUTBSSSDVREFIN+SYNCIN-振荡器输出5.1V驱动15V驱动15V同步R12R13R14C8CAPCTU4OPTOTRIACR15POT15.1VD11D12+C9Q2NPNQ1NPNR16RES2R15RES2驱动15v驱动地13111415810121295763164SG5325图7斩波IGBT驱动电路工作原理：通过R12、R13、C8结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R15可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U4，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。2.6变压器变压并滤波输出经过逆变后的交流电因为没有达到需求的电压，在经过变压器T2的变压，输出的交流电高次谐波量较大，于是再采用一个交流滤14波器进行滤波，使输出的交流电稳定于所需电能。C6CAPL4INDUCTORL3INDUCTORT2TRANS1输出电压图8变压滤波2.7UPS切换开关UPS的切换开关是控制UPS电源和旁路电源供电的一种交流开关，当市电正常工作，主电路都应从整流-斩波-逆变中流过；当市电异常或停电，主电路由蓄电池代替整流开始工作，只有当逆变器发生异常或者要进行电路维修时开关才向旁路导通。这个切换开关由电磁继电器构成。此继电器由逆变输出交流电供电，电磁开关将应电磁力打到SB2，此时由整流-斩波-逆变电路供电；当逆变电路出现故障时，电流将断开，继电器的电磁铁将不能产生电磁力，此时开关将自动打到SB1，这是由市电直接给负载供电；当要对电路进行检修时，只要打开开关S1即可让电磁开关打到SB1。15T1TRANS1C6CAPL4INDUCTORL3INDUCTOR输入220交流输出电压RLY1电磁继电器SB1SB2图9UPS切换开关三、课程设计总结及心得体会电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换，而电力变换常分为四大类：交流变交流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。交流变直流叫整流，直流变交流为逆变。具体来讲，变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子技术的应用范围已经深入到我们呢的日常生活中去了，其中UPS不间断电源就是其中的重要应用范围。此次电力电子课程设计中，对UPS电源的设计就是本次设计的主要内容。随着UPS的广泛使用，在现代社会中的重要性越来越强，使用范围越来越广，目前，UPS在电力电子产品中已占市场相当大的份额，所以这次课程设计对我来说具有非常的实际意义，能从中让我学习许多先进的知识和理论，将所学的知识进行升华，这将有利于我今后的工作。16UPS不间断电源有许多实现方案，但在此次设计中，我采用的是适用于小功率的在线式不间断电源，为了实现其功能，我首先想到的就是利用一个整流电路开始，在实际设计过