在线式UPS不间断电源课程设计

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电脑在线式UPS设计专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期2012年5月23日设计完成日期2012年6月6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，1992一、UPS电源性能特点简单介绍UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。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。UPS电源系统按使用要求功率余量不大，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了UPS电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，都会造成主机出故障，严重时将损坏变换器。特点：1.无论是市电供电正常时，还是市电中断由电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响。2.由于其工作方式是先对电池充电，然后再由逆变器将电池的电能逆变变成交流，因此在电能的转化过程中有一部分电能将被损失掉。3.UPS输入电压范围指保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。4.UPS频率输入范围UPS能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。二、UPS系统结构框图UPS的结构原理如图1所示。UPS是指当交流输入电源（习惯称市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。UPS基本工作原理：当市电正常时，由市电供电，同时市电通过整流器整流为直流，给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池自动代替整流器向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响。UPS电源由交流输入滤波电路及整流电路、蓄电池充电回路、PWM逆变电路、控制电路等组成。图1UPS结构原理图三、UPS电源总电路设计电路图如图所示，主要由市电供电及稳压调整电路、逆变电路等组成VTDDRgQ1Q2+15V-15VVDBATTERYVDRRCDCLCVT1VT2VT3VT4CT212345678910111213141516SG352420nf2K5K100K15K300100uf2K4.7Kk+12vVD1VD3VD4VD2市电20K+-+-+R48KE212VE112VR3500C0.1uFR21KR11K741L电脑S四、部分单元电路设计4.1整流电路220V交流电源输入，经过整流电路将电压转换成直流给蓄电池充电。电路如图2所示，这是一种不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合。TVD1VD3VD4VD2市电图2整流电路4.2斩波电路电流经过整流电路部分整流成直流，经过降压斩波电路降压，其实则为将固定的直流电通过电力电子开关的作用变为另一固定电压或可调电压的直流电。直流斩波电路分为降压斩波电路、升压斩波电路这两种最基本的电路，本次课程设计在此处采用降压斩波电路。斩波电路工作原理：当t=0时，V导通，E向负载供电，u=E，i按指数曲线上升；当t=t1时，V关断，i经VD续流，u近似为零，i成指数曲线下降，为使i连续且脉动小，通常使L值较大。图3中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。该电路由整流输出端输入，经过整流后输出给电源充电以及向后续电路供电。VDDRgQ1Q2+15V-15VVDRDCL图3斩波电路4.3斩波电路控制电路波电路有三种控制方式：（一）,保持开关周期T不变，调节开关导通时间t，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽式；（二），保持开关导通时间t不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；（三），t和T都可调，使占空比改变，称为混合型。此次选用脉冲调宽式。通过该电路产生方波控制斩波电路中V的开断，从而实现控制斩波电路。DDRgQ1Q2+15V-15V-+-+R48KE212VE112VR3500C0.1uFR21KR11K741图4斩波控制电路4.4充电电路蓄电池的电流由斩波电路输出，经过滤波电路将电流中的杂波滤除，保证充电的稳定性及电流的高质量。蓄电池在市电正常的情况下也工作，只进行蓄电过程并不放电，此时电路由市电提供电能；当市电出现异常甚至断电时，由蓄电池替其工作，为逆变电路提供电能，以保证负载的正常运行，提高了电路抗干扰的能力。BATTERYVDRRCDCL图5滤波及蓄电池充电4.5逆变器及逆变电路逆变有电压型逆变电路和电流型逆变电路。此次课程设计选用电压型单相全桥逆变电路。如图6，功率晶体管由基极驱动电路提供激励信号，VT1、VT4和VT2、VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。各IGBT的栅极信号为180度正偏，180度反偏，并且VT1和VT2的栅极信号互补，VT3和VT4的栅极信号互补；逆变电路输出电压中除了基波外还含有一定的谐波成分，所以需设置滤波器。直流电流经过逆变电路逆变由输出端输出获得交流电，再经交流滤波电路去除其杂波，经过变压器变压后供给负载。VT1VT2VT3VT4CT2L电脑S图6逆变电路4.6逆变器控制电路逆变器控制电路采用芯片SG3524控制，SG3524是电流控制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.在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化.由于结构上有电压环和电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型控制器.SG3524采用定频PWM电路，DIP-16型封装，管脚排列如图7所示：12345678161514131211109VrefVsB管EB管CA管CA管E闭锁控制补偿反相输入同相输入振荡器输出电流限制检测+电流限制检测-RTCT地图7SG3524管脚排列图SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源，它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等。其开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端，与同相端的基准电压进行比较后，产生误差电压Vr，送至PWM比较器的一个输入端，另一个则接锯齿波电压，由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号Vb。由11、14号引脚输出控制IGBT栅极，从而控制逆变电路，15号引脚经开关接12V电源形成可控电路。12345678910111213141516SG352420nf2K5K100K15K300100uf2K4.7Kk+12v20K+图8逆变控制电路五、课程设计总结与体会电力电子是电气工程及其自动化专业的一门专业课，也是今后从业的主要方向之一，对电力电子了解的多少，熟练与掌握的多少也决定以后我们人生的走向。通过这次课程设计也加深了我对该专业的了解。随着社会的发展，人们对电子的使用与依赖已经普及。电力电子技术是一种应用于电力领域的电子技术，电力电子技术广泛用于电气工程。同时电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程活力的重要源泉。我们此次设计的UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额，不管是家用电气还是一些特殊地点的照明，都离不开UPS的身影。两个星期的课程设计，带给我的是巨大的实践财富，与自我思考能力的提升，换之言可抵我半年的书本学习。课程设计之初，看着手里的题目，完全不知道怎么与自己以前所学的知识搭上关系，头脑一片空白。之后翻阅《电力电子技术》得知UPS实则就是不间断电源，我没有盲目的去网上查找该课题的答案，而是决定自己动手解决这个问题，毕竟该课程是我的专业方向，不能自我放弃。翻阅《电力电子技术》了解有关UPS结构框图与简易的UPS电路，经过自己在网上查找的复杂的UPS电路对比，忽然发现其实UPS电路不管难易，均是按我们书本上的结构框图连接起来的，复杂的只是多了旁系之路，多了我们没见过的芯片而已。至此我便决定按照书本上的结构框图自我设计一个小功率不间断电源。提笔边构思边绘制才发现事实与梦想过于遥远，骇然发现一个小小的UPS电路就包括了我们《电力电子技术》中的整流知识、斩波电路、逆变电路；还有电路的滤波知识，模电的桥式电路知识等等。深深的感受到什么叫寸步难行。为此我特意花时间翻阅了相关的知识部分，原来这些被我们遗忘的知识其实都是之前我们的重点知识，现在不得不感慨，这次设计概括的面度是何其广泛。通过对书本知识的了解我开始比较顺畅的绘图了，当我按书本上的知识绘完之后，又意识到错误出来了，往常我们学习时，哪位老师与我们讲解过IGBT栅极的控制？哪次考试做题画图我们需要把IGBT栅极的连接也绘制出来，想下，我们都成错误的习惯了，自认为栅极在图中就是如此丢那不需管理，这也导致了我这次犯的错。仔细阅读课本，栅极是需要另外的控制电路来控制它的开断，从而控制整个电路的开断。开始与同学商量以及网上电路的借鉴，让我了解了控制电路，也尝试着去绘制。通过此次电力电子技术课程设计，让我更深的了解与掌握了许多的课本以及课本外的知识，也让我更清晰的了解现在该专业社会就业方向，全方面回顾了大学三年的大学知识，意识到了动手的可贵。一味的学习书本知识而不会运用到实际中来，可以很肯定以后站不住脚跟。这次课程设计不仅仅是对我们大三这年电力电子技术的考察，同时也是对我们动手能力、自我思考能力的考察。我觉得结果虽然很重要，但真正最有意义的莫过于对未知的不断探索，对自我的完全肯定与信任。此次课程设计也非常感谢老师的耐心指点，以及周围同学的讲解。人不该放弃于未知之途，未知不可怕，无知才是最可怕的。参考文献[1]黄俊，王兆安——电力电子变流技术（第3版）.北京：机械工业出版社，1994[2]黄俊，王兆安——电力电子技术（第4版）.北京：机械工业出版社，2000[3]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[4]何希才，张明莉编着——新型稳压电源及应用实例，电子工业出版社2004.2[5]张立，赵永健——现代电力电子技术.北京：科学出版社,1992[6]赵惠昌——电力电子学.北京：兵器工业出版社,1994[7]张乃国——UPS供电系统应用手册电气工程及其自动化课程设计评分表项目评价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性(出勤率)综合评分指导教师签名：日期：注：①表中标*号项目是硬件制作或软