不间断电源设计 论文.pdf

摘要随着现代工业的发展，供电网络的负载越来越复杂，特别是大型川电负载的启 动和停止，大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸 变。另外，自然界的雷电,电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。一 套好的UPS系统可以提高运行的稳定性，随着单片机，DSP等的应用，UPS已经 可以实现全数字化和智能化。同时，电力电子器件的飞速发展也为主功率部分的 简化以及先进控制策略的应川提供了必要条件。目前，以电力电子器件组成的逆 变器，以单片机为控制核心的UPS电源已普遍应川于我国的各行各业，而本课题 就是以IGBT组成的逆变器，以单片机为控制核心的不间断电源为基础展开研究和 设计的。目录摘要.1ABSTRACT.错误！未定义书签。1.绪论.31.1 引言.31.2 UPS发展现状.31.3 不间断电源UPS的分类和结构.31.3.1 动态UPS工作原理.错误！未定义书签。1.3.2 静止式 UPS.41.4 本设计技术参数.62.UPS总体结构和整流、逆变主电路.72.1 UPS总体结构.72.2 UPS整流、逆变主电路的设计.72.2.1 三相电源变压器.82.2.2 三相不控整流桥.82.2.3 单相倍频逆变桥.92.2.4 阻容吸收装置.103.控制电路.113.1 正弦脉宽调制电路.113.2 驱动电路.133.3 调整电路.144.转换开关.174.1转换开关的主电路.174.2触发电路.194.3控制电路.215.充电电路.235.1充电电路的主电路.235.2 充电电路的控制电路.255.3 充电过程.286.保护电路.306.1 过压保护.30致谢.35参考文献.33附录一:整流逆变主电路.34附录二：触发电路.34附录三：控制电路.35附录四：充电电路.371.绪论1.1 引言现代社会中，电能是一种使川最为广泛的能源，其应川程度是衡量一个国家 发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求正巳益 增加，同时对电能质量以及供电安全性的要求也越来越高。例如，在银行、证券、通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理等各行业中，供电 故障将有可能对其带来巨大的经济损失。特别是随着Internet高速发展和信息化、网络化建设步伐的加快，数据安全成为各行业普遍关注的问题，然而供电的故障 对数据的安全性将无疑是致命的。使川不间断电源(UPS,Uninterruptible Power System),确保关键川电设备的安全性是解决上述问题的最重要的方法之一。这也使 得全社会对不间断电源的需求日益增加。1.2 UPS发展现状自二十世纪六十年代出现了一种新型的交流不间断供电系统以来。以美国为 代表的发达国家相继开始了对UPS的生产、研究工作。发展至今，己研究、制造 出形形色色、种类繁多的各式UPS。其被广泛的应川于金融、电信、政府部门、邮 政、税务等企事业单位。同一切先进技术一样，在广大市场的需求下，在各种先进控制技术的强力推 动下，UPS也正在不断的朝着自己的方向发展。目前，国内外学者都对UPS开展了 广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名UPS 生产厂商，如山特、梅兰巳兰、APC等，纷纷利川自己的技术优势推出了多款集数 字化、智能化、网络化于一身的新一代UPS。作为UPS消费大国的中国，不论是大功率市场还是小功率市场，我国的国产 UPS市场占有率都小于50%,甚至30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在UPS 研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。1.3 不间断电源UPS的结构所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载 供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电 源装置，或者称为不间断供电系统，简称UPS(Uninterruptible Power System)o 不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即直流不 间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统 简称为UPSo正因为如此，本书也沿川这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为 UPSo1.3.2 UPS静止式UPS的经典方案如图1-2所示，其原理是：电网正常时，市电经整流 器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载；在电网异常 时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。各式(offline)两种，但无论是后备式还是在线式UPS,其基本结构大体相同，只是在工作方式上 和为负载供电的质量上有一定的差异。下面就图2来简要说明在线式和后备式 UPS的异同点，同时说明在线式和后备式的含义。(1)在线式UPS工作过程在线式UPS的工作过程是，电网正常供电时，交流电经输入变压器后，一方 而经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器 变成交流后再通过输出变压器，最后经转换开关K接4点)送给负载。此时的电能 流向如下：电网输入变压器一整流滤逆变输出变压器在转换开关 负 I电器一蓄电池组旁路图1-2经典型UPS结构框图电网供电异常时（过压、欠压、断电），保护电路（图2中未画出）将切断输 入市电与UPS的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能，此时的能量流向如下：蓄电池组逆变器 输出变压器 转换开关f 负载由上述可见，在线式UPS就是指电网正常供电时，电网一方面对蓄电池充电,另一方面经过UPS内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄 电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电 池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是UPS内部无任何故障时的情况。若UPS内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关由K接A点转换为B 点，即实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间（供电有间断），二是此时市电 必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应该 使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作川，转换时间一般应小于 3mso目前，功率稍大一些的UPS为了缩短转换时间，大都采川静态无触点电子开 关，这就大大缩短了转换时间。（2）后备式UPS工作过程后备式UPS的工作过程是：电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器 给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关（K接B点）送给负载。此时的电能 流向如下：电网变压器换开关一项载L充电器一蓄电油组供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使K 由接B转为接A,继续由蓄电池提供电能向负载供电。此时的电能流向如下：蓄电池组一逆变器一 输出变压器一 转换开关负载这时的能量流向和在线式是一样的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和 在线式UPS有区别，即在线式UPS当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换 时间，而后备式UPS存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式UPS中的转换 旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。通过上述可见，后备式UPS就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接 送给了负载，同时也给UPS的蓄电池充电。送给负载的是没有经过UPS加工和处 理的电网的电，供电质量明显不及在线式UPS的供电质量好。在电网供电出现异 常时，才启动UPS内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后 送给负载。后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样，但在电网正常供电时，在线式UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好，这主要是说在线式UPS的 输出是稳压、稳频的，而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处 理功能。不但如此，在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线 式UPS没有转换时间，后备式UPS是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供 电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式 UPS的性能优于后备式。有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输 出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改 善，但终究和在线式还有一定差距。但后备式UPS约造价低于在线式UPS,因此小 容量的后备式UPS也得到了广泛的应川。1.4 本设计技术参数本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势,所以本文设计在线式的UPS。其技术性能如下：输入电压：三相四线制380V、50Hz交流电压输入电压范围：380V 土 10%输入频率范围：50Hz 5%输出电压：单相220V、50Hz交流电压电压稳定度：220V 2%频率稳定度：50Hz 0.5%蓄电池组：采川12v、38A.h全密封电池16块满载工作时：蓄电池组能维持15min2.UPS总体结构和整流、逆变主电路2.1 UPS总体结构10KVA UPS电源的总体结构框图如图2-1所示。在图2-1中：1.主电路、调整电路、正弦脉宽调制电路、驱动电路构成双闭环调节系统，使UPS输出电压稳定、输出波形失真小。2.主电路设置很大的滤波电容器，可以吸收来自电网的各种干扰信号，从而提 高UPS的抗干扰性。3.设置了充电电路，为蓄电池充电。4.设置了完善的保护系统，是电力电子模块、蓄电池得到可靠的保护。5.设置了转换开关，一旦逆变器出现故障，便使逆变器输出转换为市电输出。电网正常供电时，电网一方面通过主电路先整流，再逆变成标准正弦交流电 压后，经过转换开关输出；同时，电网又通过充电电路变成直流电压向蓄电池充 电。电网中断供电时，蓄电池通过逆变器变成标准正弦交流电压，该电压又经过 转换开关输出。逆变器出现故障时，UPS通过转换开关进行旁路输出，并停止逆变 器工作。2.2 UPS整流、逆变主电路的设计10KVAUPS主电路的功能是将非标准正弦波电压变换为标准正弦波电压。电网充电电路电池整流、逆交 主电路7K转换开关输出驱动电路调整电路它主要由输入滤波 器、三相电源变换 器、三相不控整流 桥、阻容吸收装置、单相倍频逆变桥、输出变压器，其电 路如图2-2所示。2.2.1三相电源 变压器三相电源变压器 的功能是：1.将UPS与市电隔 离。图2 1 UPS总体结构框图222三相不控整流桥（2 D）三相不控整流桥（。1 D）由三个整流管模块构成，它的功能是将三相交流电 1 6压变换为单相脉动直流电压。其输出电压平均值近似由公式2.1决定。%C 110V=269V（2.1）%图2-2 UPS整流、逆变主电路2.2.3单相倍频逆变桥单相倍频逆变桥如图2-3所示，它的功能是将直流电压%或匕变成单相正弦 脉宽电压。它由四块IGBT模块组成，输入端接整流器。输出端通过约接负载。IGBT 模块的栅极分别接驱动脉冲。+%图2 3单相倍频逆变桥其工作过程如下1.在7。4期间与%4为%，%2与%3为。，（与1导通，心与心截止，变压器约初级电 压不沿着Y 4 1 2 1吟路径流动，故2.在才2期间%与%为7,%与4为。，心截止，变压器坊的初级电流沿着 24 7；1流动，将变压器中约储存的能量消耗在电路电阻中。由于心、A导 通，变压器打的1、2两端被短路，故%=0匕=。t2匕期间重复上述过程。3.在匕大期间与%4为0V,%与%3为%，“、刀导通，变压器初级电流力沿着 V；与 2 15%路径流动。由于心、心导通，故4.在4 期间与%为0V，%2与%4为%，心截止，变压器初级电流沿着 1心 1 2路径流动，将变压器纥中储存的能量消耗在电路电阻中。由于心、7；导通，变压器与的12两端被短路，故匕产。匕=0t 4；期间重复上述过程。对输出电压%进行博氏级数展开，输出电压基波分量为：输出电压中最低次谐波的频率为：/+力，/-力。其中，/为驱动脉冲的两倍,力为调频，一般为50H：。电力电子模块的主要参数如下：1)bvdsoBVdso=(1.65 2.64)X%=(1.65 2.64)X269=444 710V选择5匕皿为600V2)IDMj B。乂一正考虑到蓄电油放电终厂时，仍能维持满载输出；另外考虑到占空比d为0.3时,也能维持满载输出，则IDM=T 10000/(0.3,16 10.5)=396A选择为400A3)vG%=(L5 2.5)Vges=1.5 2.5)57.5 12.5V故可选择七石为15V2.2.4阻容吸收装置阻容吸收装置由居、&、G、G、。7、2组成。若单相倍频逆变器输入端 出现过电压，过电压首先通过3向G充电，由于电容器两端电压不能突变，故过 电压被吸收。IGBT模块导通时，电容器G通过、IGBT模块放电，与限制了放电 电流，从而保护了 IGBT模块。3.控制电路在ups中控制电路的功能主要是：1.产生驱动IGBT模块的脉冲。2.对IGBT模块进行瞬时保护.控制电路由正弦脉宽调制电路、驱动电路、电压调节电路、波形调节电路组 成。其电路如图3-1所示。图3-1控制电路3.1 正弦脉宽调制电路正弦脉宽调制电路的功能是产生四组正弦脉宽驱动信号。它是由误差放大器、三角波发生器、比较器、同相器、倒相器、延时电路及控制门组成。正弦脉宽驱动信号的产生三角波发生器是由集成运放34及电容器3G5构成。压控振荡器输出信号经过 2分频后，通过3G7、3&o加在也 反相端（6脚），在3入输出端输出三角波。由于 集成运放3外采川单电源，故6V直流偏置电压通过34。加在的同相端，于是 输出的三角波在6V基础上进行变化，其波形如图3-2（a）所示。输出的三角波一路 加在比较器反相端（8端）；另一路通过由347、348及运放3外构成的倒相器 后输出反三角波。由于33采川单电源，6V偏置电压也通过349，加在运放3外同 相端（3脚），故反三角波也是在6v基础上进行变化，其波形如图3-2（a）中虚线所 示。反三角波信号加在比较器的反相端（10脚）。（9脚、H脚）。若正弦波电压大十二角波电压，比较器输出端（14脚）为高电位；若正弦波电压小于三角波，比较器输出端（14脚）为低电位。其输出波形如图3-2（b）所示。若正弦波电压大于反三角波电压，比较器输出端为高电位；若正弦波电压 小于反三角波电压，比较器输出端为低电位。其输出波形如图3-2（c）所示。由两组驱动信号变成四组驱动信号由于单相逆变桥由四个桥臂组成，放需要四组驱动情号 7；的驱动脉冲与心的驱动脉冲相位相反。心的驱动脉冲与1的驱动脉冲相位相反。为了将两组驱动脉冲变为四组驱动脉冲，特采用两组同相器及两组反相器，同 相器与反相器均由异或门3a2组成，异或门有一个输入端接低电位，则构成同相 器；异或门有一个输入端接高电位，则构成反相器。其电路如图3-2所示。比较器输出端(14脚)输出信号通过同相器时，其输出脉冲相位不变，波形如图 3-2(b)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如图3-2(d)所示；比较器输出端(13脚)输出信号经过同相器时，其输出脉冲相位不变，波形 如图3-2(c)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如图3-2(e)所示。3.2 驱动电路驱动电路的功能是为IGBT提供正、负栅压，保护IGBT模块，隔离主电路与 控制电路的电联系。它由达林顿驱动器和Ex跳41混合驱动器组成，其电路如图 3-1所示。达林顿驱动器在图3T中，3/1采用的是ULN2004AN集成芯片，它是达林顿驱动器，其外 形及内部结构示意图如图3-3所示。图Ik 1*14.9 ci.ci-ULN2004ANG1.G*1.”图3-3达林顿驱动器由于EXB841混合驱动器的输入端需要的输入功率比较大，而与门3U*输出脉冲的功率比较小，不足以驱动 EXB841混合驱动器正常工作，故需要设置达林顿驱动器以放大驱动脉冲的功率。(2)EXB841混合驱动器EXB841混合驱动器内部结构示意图如图3-1所示，它内部包含光电锅合器、驱动器、过载保护电路。光电耦合器的作用是隔离主电路与控制电路之间电的联 系。驱动器的作川是放大驱动脉冲功率。驱动信号为以时，EXB841输出端3脚为 高电位，驱动电流沿3脚 IGBT模块输入电容 Ciss 1脚流动，向电容器Gss 充电，匕逐渐上升；当匕上升到IGBT的开启电压时，IGBT模块导通，IGBT随匕幅 度上升而逐渐进入深度饱和。驱动信号为“0”时，EXB841输出端3脚与1脚之间 出现一5v电压，输入电容Gss通过3脚、1脚放电；当匕下降到IGBT的截止电压 时，IGBT模块截止。IGBT模块截止后，发射极与栅极之间承受反向电压，维持IGBT 模块截止。瞬时保护电路的作用是保护IGBT模块。IGBT模块的过载能力低，瞬时过载便可使之损坏，故需要设置瞬时保护电路。它由过流检测电路、低速切断电路组成，其功能是将过载电流限制在安全工作区 域。该电路采川延迟搜索方法进行保护。所谓“延迟搜索”，就是实时检测UBT模 块两端电压：若超出设定电压值，先将栅极电压从15V降至某一设定值（如10V）,延时10ms左右再进行检测；如故障消失，自动将栅极电压恢复到15V；如放降未 消失，自动将栅压降至0V以下，关断IGBT模块。3.3 调整电路闭环负反馈调整电路的功能是稳定UPS输出电压、改善UPS输出波形。它是 由调整电路、SPWM电路、驱动电路及主电路组成。调整电路包括波形调整电路、电压调整电路。波形调整电路波形调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器组成。检测电路在这里指的是交流电压检测电路，它由降压变压器3、电阻分压器 3H26、3H25组成。设变压器的变比为n,则变压器次级电压为：电阻分压器输出电压为:V=-25_3H25+3R?6匕令F=_3 H25_ (3E25+3H26)则4=/匕上式表示：检测电压匕与UPS电源输出电压成正比。该电压通过3H35及校正 网络（3gi、3K7、343）加到误差放大器3。4的反相端。给定电压是由Sigma PWM1300L集成芯片提供。给定佶号通过14脚加在8分频器输入端，经过8分频后变成100Hz对称脉冲 加在外接2分频器输入端，经过2分频后变成50Hz对称脉冲，由12脚、13脚接 何集成芯片。800Hz.100Hz.50Hz脉冲同时加在阶梯波发生器输入端，在其输出 端获得16阶梯波。由12脚输入的50Hz脉冲经过变换器变成同频率窄脉冲，加在 电子开关的控制端。电子开关输入端接固定6V直流电压。每当阶梯波过零时，电 子开关闭合，6V直流电压便加在阶梯波上，使阶梯波向上提高6v。阶梯波通过滤 波器变成光滑正弦波输出。正弦波电压通过386、3G2,加在误差放大器3q反相 端。设给定电压为以。误差放大器的功能是放大给定电压与测量电乐之差，以提高闭环调整系统精 度。误差放大器是由3勿中8脚、9脚及10脚,电阻3HI7、3H18,电容器3G8、3G9 构成的比例积分放大器。静态时，比例积分支路3%8、3G9不起作川。由于以 与。相位相反，故误差放大器输出电压匕为：匕=%3（%。）式中，K3为误差放大器的放大倍数。在图3-1中，3Q、3H是校正环节，12V电源、3凡及W4构成直流偏置电压,它们的作川是抑制失调电压。闭环波形调节系统的方框图如图3-4所示。因中K3是误差放大器的增益，储 是正弦脉宽调制器的传递函数，（是逆变器的传递函数，F是检测电路的反馈系 数。根据图3-4可以看出：图3-4闭环波形调节系统的方框图VQ=K3K4K5hm-vf）令 K=K3X K4X K5K为环路总增益。则 =的一 1+FK由于q=Fv0，只要反馈系数F是常数，则检测电压R与UPS的输出电压波形 一样，即检测电压波形=输出电压波形 由于负反馈足够大，故小V/则 检测电压波形输出电压波形因此，UPS输出电压波形与给定电压波形相同。由于给定电压是标准正弦波，故UPS输出电压也是标准正弦波。电压调整电路电压调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器及跟踪器组成。其中检测 电路这里指的是直流电压检测电路，它由降压变压器3、整流电路、电阻分压器 3H22、3H21、3H36组成。给定电压是由12V电源、电位器3%、电阻3H4构成的分 压器提供的。4.转换开关转换开关的功能是实现市电供电与逆变器供电之间的转换。它由主电路、触发 电路及控制电路组成，其电路如图4-1、4-2所示。4.1 转换开关的主电路转换开关分为手动开关和自动开关两种。正常情况下，负载通过自动转换开 关由一种电源供电切换为另一种电源供电。当自动转换开关损坏或在紧急情况下,便采川手动转换开关。自动转换开关由两个交流电子开关KB1、组成，每一个交流电子开关均由 两只晶间管（7；和心、心和1）反向并联而成，其电路如图41所示。在正常情况下，交流电子开关Kb1工作、电子开关KJ不工作，逆变器输出电 压通过KS1加在负载上。其工作过程如下。设逆变器电压为：图4-1转换开关图4-2转换开关的主电路匕为止半周时，7；两端加的是正向电压，7；两端加的是反向电乐，小7；的控 制极虽然均加上正向电压，但是只有心导通。故吟2=07V,/0.7V,%匕。匕为负半川时，7；两端加的是正向电压，心两端加的是反向电压，7；的控制极 又加上正向电压，故7；导通、心截止。因此有/i=0.7V,%2=07V,%匕。以后便以2P为周期重复上述过程。逆变器出现故障时，交流电子开关KJ上作，交流电子开关KS不工作，市电 电乐通过旁路闸刀开关Nq2，电子开关KS2加到负载。其工作过程如下。设市电电压为：匕为正半川时，心两端加的是正向电压，为两端加的是反问电压，心、北的 控制极虽然均加上正向电压，但是只有心导通。故扩/3=07V,匕4=一07V,v0 v2 o匕为负半周时，I两端加的是正向电压，心两端加的是反向电压，1的控制 极又加上正向电压，故7；导通、心截止。故/3=07V,匕4=一 07V,v0 v2 o以后便以2P为周期重复上述过程。若逆变器与自动转换开关出现故障，则采用于动转换开关K?。（闭合时，市 电通过旁路闸刀开关N产生及K2加在负载上。若旁路闸刀N尸与损坏，则采川手动 转换开关K3。储闭合时，可以直接将市电加到负载。手动转换开关所处位置如图 4-1所示。4.2触发电路触发电路的功能是为主电路中晶间管的控制极提供正向电压。触发电路由脉 冲发生器、脉冲分配器、变换器等三部分组成。如图4-2所示。脉冲发生器如图4-2所示，脉冲发生器是由555时基芯片，电阻4与5、4H23,电容器4G 及二极管428、427组成。18V电压经过4G、484、4G滤波，再经过4Z，变成 稳定12 V电压加在555时基芯片的8脚与1脚之间。其工作过程如下。设电路初始状态是555时基芯片输出端（3脚）为“1”，其内部晶体管截止。12V电源通过4%5、4。8向电容器4G充电，电容器两端电压汽5从略低于4 V 开始 当4VVv05（8V时，555时基芯片输出状态不变，其内部晶体管仍截止，电 容器4G继续充电，为5继续升高。当计为58V时，555时基芯片输出状态发生跳变，输出端由“1”，变为“0”,其内部晶体管导通。电容器4G通过二极管4Q7、电阻4&3、7脚，内部晶体管放电，电容器两端电 压为5降。当4VV%5（8V时，555时基芯片输出状态不变，其内部晶体管仍导通，电 容器4G继续放电，为5下降。当。治58V时，555时基芯片输出状态发生跳变，输出端由“0”变为“1”,其内部品体管截止，完成一个振荡周期。555时基芯片输出波形如图4-3o/25图4-3波形图脉冲分配器脉冲分配器的功能是将单列脉冲变成互差180的双列脉冲。脉冲分配器有两 路输出，这两路输出的上作过程相同，故下面只分析其中一路的工作过程，即由 4(、4%组成的分配器的工作过程。如图4-2所示，脉冲发生器输出信号经过4凡、4H7分压后加在晶体管4心的 基极，该信号又经过44、49分压后加在晶体管41的基极。若555时基芯片3脚为低电位，晶体管41截止晶体管4导通晶体管 47；导通。通过变压器B2初级的电流沿下面路径流动：18V 电源“十”470 4H12、489 6 “7 47；地 18V 电源变压器次级感应出对应的电压，同时晶体管4心导通。晶体管4%截止。若555时基芯片3脚为低电位，晶体管4心截止，品体管45导通。通过变 压器B-2初级的电流沿下面路径流动：18V 电源“十”470%、489 6”“5 45 地 18V 电 源”变压器次级感应出对应的电压，此时品体管41截止一品体管4截止、品体 管47；以后便重复上述过程。变换器变换器的功能是将脉冲变成对应百流电压。变换器由相同的四组电路组成，每组电路的工作过程相同。下面分析其中一组电路的工作过程，即由42 42组 成的变换器的工作过程。晶体管47；导通，45截止时，通过变压器初级的电流沿下面路径流动：18V“十”4几、4居2、4居9 6 7 4(地 8V“一”变压器次级感应出电压，1端为“+”、2端为通过变压器砍级的电流沿 下面路径流动：“1 4D4 4%4H2 4D2 2”“1 4D4 4G 4D2 2”该电流向电容器4G充电。晶体管45导通、47；截止时，通过变压器初级的电流沿下面路径流动；18V“+”4几、4a2 6 5 47；地 18V变压器次级感应出电压，2端为“+”、1端为通过变压器次级的电流沿 下面路径流动：“2 4r 4&4R2 4D3 1”“2 4Q 4G 4D3 1该电流向电容器4G充电。由上述可见，由于脉冲电压不断向电容器充电，故将脉冲变为对应直流电乐4.3控制电路控制电路的功能是：逆变器正常工作时，为脉冲分配器（4、44）提供工作电压，切断脉冲分 配器（4（、4）的工作电压。逆变器出现故障时，为脉冲分配器（4（、45）提供工作电乐，切断脉冲分 配器（4、4心）的工作电压。控制电路由品体管44、4T-4几、4几、4*及相应电阻、电容组成。电路 的工作过程如下。逆变器工作正常时，A点电位为“1”。晶体管47H导通晶体管40截止晶体管4几截止，18V直流电压无法通过 4几、4HI2、4时加到脉冲变压器B2的中心抽头6脚与地之间.由47；与45组 成的脉冲分配器停止工作，KS2其门极无触发电压而停止工作。品体管4导通品体管47；导通，18v直流电压通过47；,加到脉冲变压器B 一1的中心抽头6脚到地之间，由4人与4心组成的脉冲分配器正常工作.KS因其 控制极获得触发电压而正常工作。于是逆变器输出电压通过转换开关KS1加负载上。逆交器出现故障时，图4-2中A点电位为“0”。晶体管4心截止晶体管47；截止，18V直流电压无法通过47；加到脉冲变压器 B1的中心抽头6脚与地之间，由40与4心组成的脉冲分配器、由4A 4为组 成的变换器便停止下作，转换开关KS因其控制极无触发电压而停止工作。晶体管42截止晶体管40导通晶体管4几导通,18v直流电压通过4几、4HI2 4H19加到脉冲变压器B2的中心抽头6脚与地之间，由47；与45组成的脉冲 分配器、由42 4鼻组成的变换器便正常工作，转换开关K邑因其门极获得触发 电压而正常工作。于是市电电压便通过转换开关KS2加到负载上。5.充电电路充电电路的功能是在市电正常时对蓄电池组进行充电，并对蓄电池组进行日 常维护性浮充充电，以满足蓄电池组自故电的要求。在充电初期，以恒流方式充 电；在充电后期，以恒压方式充电；最后以浮充方式充电。充电电路是由主电路 和控制电路组成，其电路如图5-1所示。图5-1充电电路5.1充电电路的主电路由图可看出，主电路是由单相整流桥、升压式开关电路组成，其简化电路如 图所示图中吃是整流桥输出电压，L是输出端电压，T是57；与55的并联入是限 流电感4,D是隔离二极管5，。T的栅极信号如图5-2所示。图5-2简化电路及波形工作过程在.期间场效应管T的栅极加上电压兀，并且兀%,故T导通，电源电压%几乎 全部加在限流电感两端，即设方=%时，iL=0则4=2iL的波形如图5-2所示。电源中电能被转变为磁能储存在限流电感L中，二极 管D截止，输出电压%等于蓄电池电压。在.J期间场效应管T的栅极加上的电压为0V,故了截止，通过限流电感L中的电流呈 下降趋势，它两端产生反电势Q,其极性是右+、左该电势与电源电压%顺审，通过二极管D向蓄电池充电，蓄电池两端电压逐渐升高。即%=匕逐渐减小，其波形如图所示。以后便以周期T重复上述过程，于是蓄电池两端电压逐渐升高，其电解液的 密度逐渐增加。输出电压的计算在电流连续的情况下根据能量转换观点，整流桥输出能量全部转换为蓄电池化学能ydiT=vQitoffT 1则 匕=1Vd=一1吃Zoff 1_T令 占空比T则上式表明：由于1 al,故匕吃，故该电路称为升压式充电电路。由于a-(1-a)Vo-,故改变占空比a便可以改变充电电压.5.2 充电电路的控制电路控制电路的功能是为主电路提供占空比可以改变的驱动脉冲。控制电路是由 脉宽调制器和外部电路构成。脉宽调制器采川的是双排列8脚集成芯片3845,集 成芯片如图5-3所示。高压保护3845集成芯片内部的输入端(7脚、5脚)设置了 34V齐纳二极管，保证其内 部电路在34V以内工作，防止高压可能带来的损坏。欠压锁定器欠压锁定器跨接在集成芯片输入端，当集成芯片输入端电压低于7.9V时，欠压锁定器将芯片内部电路锁定，停止芯片工作，整个电路消耗电流仅为1mA,保 证集成芯片在极低电流情况下启动。当集成芯片输入端电压高于8.4v时，欠压锁 定器将集成芯片内部电路开启，整个电路处于正常工作状态，电路消耗的电流为 15mAo图5-3 3845内部电路框图基准量源基准量源是线性稳压器，输出电压5V,输入电流50mA。其功能是：为芯片内 部其他部件提供工作电压；其电压经过分压后，变为25V,为误差放大器同相端 提供基淮电压；同时，由8脚输出5V电压供外部电路使用。误差放大器误差放大器的功能是放大电压误差信号。它是由基淮电压55V),检测电 压及补偿网络H/、g运算放大器组成，其电路如图5 4所示。由图可看出，基准电压5(2.5V)接在运放的同相端，输出检测匕接在运放的反相端，补偿网络(勺、C/)接在运放的反相端与输出端之间。通过改变勺、g的值来改变闭环增 益和频响。由图5-4可看出，输出信号匕为：匕=K(%-Vo)图5-4误差放大器(5)电流传感比较器它的功能是将电流信号与误差放大器输出信号进行比较，在比较器输出端获 得脉冲信号。其波形见图5-5所示。由图5-5可知，若匕不变，输出脉冲宽度取决于匕上升率。若通过场效应管 的电流大，匕上升到匕所需要的时间就短，输出脉冲窄；反之，输出脉冲宽。若电流信号匕升率不变，比较器输出端脉冲宽度取决于电压误差放大器输比 信号匕的大小。若匕大,匕上升到匕所需要的时间长，比较器输出端脉冲就宽；反之，比较器输出脉冲窄。Vv图5-5波形图根据图5-1的基本功能，可将其等效为图5-6o由图5-6可见，功率MOSFET 的栅极接有取样电阻R,其两端电压信号经滤波后，作为电流传感比较器的同相端 输入信号。若由电压放大器加到电流传感比较器，反相端的信号匕不变，则功率 MOSFET管流过的电流必然受到限制；若匕因某种原因变大，则功率MOSFET管流过 的电流随之变大。但由于匕受电流传感比较器反相端IV稳压管的限制，其值L3图5-6图5-1的等效电路图不可能超过IV,所以功率MOSFET管流过的电流是有上限的，即该电路具有限流功 能。5.3 充电过程充电初期，蓄电池两端电压较低，分压器两端电压也低，稳压控制器54(TL431)的控制电压小于其开启电压，稳压控制器5心截止，电压信号不能通过光电耦合器 力口至U 3845芯片的1脚。场效应管57；2的电流通过5凡向5G4充电，形成电流信号匕 加到比较器U的同相端。比较器反相端接固定电压匕，匕是由误差放大器输出端 的电位通过2R、R分压形成的。若充电电流大，则通过场效应管57；2的电流也大，电流信号匕上升快，匕上 升到匕所需要的时间短，比较器U输出的负载脉冲窄，非门输出的正脉冲也窄，场效应管5G 2导通时间短，电感4中储能少，充电电流减小。反之亦然，故维持 值流充电。蓄电池两端电压随充电时间增长而逐渐上升，分压器两端电压随之上升。当 蓄电池两端电压达到220V时，稳压控制器5心导通，电压信号通过光电精合器加 到3845芯片的1脚。此时，匕包含误差放大器输出固定信号及光电精合器输出的 可变信号。若充电电压升高，分压器两端电压随之升高，5心的控制电压升高，C、A两端 电压降低，光电耦合器输出电压降低，电压信号匕随之降低，匕上升到匕所需要 的时间短，比较器U输出负脉冲窄，非门输出正脉冲也窄，场效应管57;_2导通时 间短，主电路输出电压降低，充电电压随之降低。反之亦然，故维持恒压充电。6.保护电路目前，虽然功率开关器件容量提高很快，性能也有极大改善，尤其是可承受 过压、过流的能力有显著提高，但它与一般机电类产品相比较，在承受过载的能 力上仍有较大差距。而功率开关器件在ups中担任着功率变换的重任，所以必须 设置相应的保护电路对其进行保护，以防因功率开关器件的损坏而造成严重后果。此外，蓄电池的过充电、过放电严重影响电池寿命，电源输出电压过高、过低均 影响外部设备正常工作，甚至损坏负载设备，故此UPS必须设置保护电路。保护 电路常分为过流保护，过、欠压保护，过热保护，蓄电池保护等四种。这里只设 计了过电压保护电路。6.1过压保护通常，UPS的输出电压超过其额定输出电压称为过压；UPS输出电压过高易 对负载造成冲击，严重的还可能烧坏负载。所以通常UPS都设置过压保护电路。其图入6-1所示由图可看出，UPS输出电压0。(220V)通过变压器与，然后经过感容滤波的 单相桥式不可控整流电路变成16.5V.乙和G是感容滤波.经过居和冬分压 后匕为5.5V.运放输出为低电平，即INH为高电平逆变器正常工作.当UPS输出电压过高时，INH为低电平，切断驱动脉冲，迫使逆变器停止工作.总结本文研究了在线式不间断电源的工作原理，并设计了一个不间断电源系统。由于整个系统比较大，再加上时间的原因，本文所设计的系统存在一些不完善的 地方，比如：保护电路只设计了过电流保护和过、欠电压保护。由于本人知识有 限，在设计的过程中也出现了不少问题，比如有些元器件的选型，不是很了解。有些知识是以前没有学过的，需要重新学习。对于不间断电源的知识以前从没涉 及过，但是通过这次毕业设计，我已经完全了解了不间断电源的工作原理和系统 组成，并对各个功能块的集成电路有了一定的了解。所有的这些都增强了我的自 学能力，尤其是对自己不了解或者根本不知道的知识，消除了对这些知识的恐惧 心理，使自己知道，只要自己有信心，凭自己所学的知识，再加上自己的努力，就一定能学会的，这对以后工作有很大帮助。致谢论文结束之际，我怀着激动和崇敬的心情向我的指导老师陶慧表示由衷的感 谢，感谢他在这段时间里的悉心指导和帮助。特别在论文设计阶段他对我的设计 给予了极大的帮助、鼓励和支持，使得论文从内容设计到实施能如期顺利完成，同时他严谨的治学态度和深厚的知识基础也给我留下了深深的印象，是我学习的 榜样。在写论文的过程中遇到许多问题和障碍，得到了老师和同学无私的帮助，感 谢我的同学和朋友，他们在我读大学期间，特别是在论文设计阶段给予我极大的 帮助。在这里再一次感谢所有关心和帮助过我的人。参考文献：1钱希森.小型UPS原理及应用.科学出版社，2000：2徐国家.UPS电源维修手册.电子工业出版社，2008.3：3姚行中.UPS原理及维修技术.科学出版社，1998：4李成章.中小型UPS不间断电源及直流稳压电源.电子工业出版社，19965康华光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社，1999：6康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，19997易龙强.单相在线式数字化UPS的设计研究.湖南大学硕士学位论文，20008陈旭武.电压型正弦波脉宽调制逆变器研究.黄石理工学院，1997：9李繁荣.集成PWM控制器及在实际中的应用.成都市工业学校，199410王照峰，王仕成，苏德伦.锁相环电路的基本概念及应川研究.第二炮 兵工程学院，199411黄俊，王兆安.电力电子变流技术（第3版）.机械工业出版社，1994：