1、湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 電力電子技術(shù) 課題名稱 家用單相后備式UPS設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 0804 學(xué) 號(hào) 27 姓 名 劉紅志 指導(dǎo)教師 梁 錦 2011年 7 月 8 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)課程名稱 電力電子技術(shù) 題 目 家用單相后備式UPS設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 電氣工程 0804 學(xué)生姓名 劉紅志 學(xué)號(hào) 27 指導(dǎo)老師 梁 錦 審 批 謝衛(wèi)才 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 2011 年 6 月 27 日設(shè)計(jì)完成日期 2011 年 7 月 8 日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一設(shè)計(jì)內(nèi)容1設(shè)計(jì)出UPS電路圖。2說(shuō)明UPS電路原理。二設(shè)計(jì)要求1. 給出設(shè)計(jì)原理框圖；2. 給

2、出具體設(shè)計(jì)思路，畫(huà)出電路圖；3. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。主要設(shè)計(jì)條件1提供實(shí)驗(yàn)箱；2必要的元器件和導(dǎo)線等；說(shuō)明書(shū)格式1. 課程設(shè)計(jì)封面；2. 任務(wù)書(shū)；3. 說(shuō)明書(shū)目錄；4. 設(shè)計(jì)總體思路，基本原理和框圖；5. 電路設(shè)計(jì)；6. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；7. 總結(jié)與體會(huì)；8. 參考文獻(xiàn)；9. 電路圖；10. 評(píng)分表；11. 空白尾頁(yè)。進(jìn)度安排十九周星期一：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，介紹課題內(nèi)容與要求；十九周星期一十九周星期三：查找資料，確定設(shè)計(jì)方案，畫(huà)出草圖，自取課題名稱；十九周星期四，星期五：電路設(shè)計(jì)，畫(huà)圖；二十周星期一上午星期二下午：掌握電路原理，打印出圖紙； 二十周星期三：確定課題名稱，書(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告；二十周星期四：

3、書(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告；二十周星期五：答辯。參考文獻(xiàn) 1王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，20002薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工業(yè)出版社，2001.10 目 錄第1章 后備式UPS簡(jiǎn)介1第2章 設(shè)計(jì)思路與基本原理框圖2第3章 單元電路設(shè)計(jì)說(shuō)明33.1充電電路33.2 逆變電路43.3 轉(zhuǎn)換電路73.4偵測(cè)電路83.4.1市電輸入監(jiān)測(cè)83.4.2總輸出電壓偵測(cè)83.4.3 電池電壓偵測(cè)及保護(hù)電路9第4章 總結(jié)11參考文獻(xiàn)12附錄13第1章 后備式UPS簡(jiǎn)介UPS（Uninterruptible Power System）即不間斷電源供應(yīng)器，是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器

4、為主要組成部分的恒壓恒頻的開(kāi)關(guān)電源供應(yīng)器。目前，UPS一般均指靜止式UPS，按其工作方式分類可分為后備式、在線互動(dòng)式及在線式三大類。后備式UPS 也稱非在線式UPS，它平時(shí)處于蓄電池充電狀態(tài)，在停電時(shí)逆變器緊急切換到工作狀態(tài)，將電池提供的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電輸出，如圖1-1所示，因此后備式UPS也被稱為離線式UPS。UPS的工作模式：LINE-MODE：市電提供UPS的能量，經(jīng)AC-DC和DC-AC的變換，提供恒壓恒頻的輸出；BATTERY-MODE：有蓄能電池提供能量，經(jīng)DC-DC和DC-AC的變換來(lái)提供能量給負(fù)載；BY PASS：市電把能量直接提供給負(fù)載，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的變換；后備式UP

5、S只有后兩種模式，其優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高、噪音低、價(jià)格相對(duì)便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大，對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，比較適合家庭使用。后備式UPS一般只能持續(xù)供電幾分鐘到幾十分鐘，主要是讓用戶有時(shí)間備份數(shù)據(jù)，并盡快結(jié)束手頭工作，其價(jià)格也較低，主要用于不太關(guān)鍵的電腦應(yīng)用，比如個(gè)人家庭用戶，就可配小功率的后備式UPS。 圖1-1 后備式UPS工作簡(jiǎn)要示意圖第2章 設(shè)計(jì)思路與基本原理框圖硬件的設(shè)計(jì)原則是：系統(tǒng)在滿足所要求功能的前提下盡量簡(jiǎn)單可靠，操控方便。因此硬件的選擇既要使輸入/輸出通道和外圍設(shè)備相配套,保證系統(tǒng)的功能完善，又要減少項(xiàng)目的投資。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)市電供應(yīng)正常時(shí)由市電給負(fù)載供電，當(dāng)市電

6、故障時(shí)開(kāi)始由蓄電池逆變向負(fù)載供電然后再轉(zhuǎn)為油機(jī)發(fā)電供電，系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。系統(tǒng)主要組成部分有變壓整流電路、穩(wěn)壓器、逆變線路、CPU控制線路(各種偵測(cè)控制電路)、市電油電轉(zhuǎn)換部分。其中CPU是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，它對(duì)系統(tǒng)每個(gè)單元實(shí)施偵測(cè)控制；變壓整流濾波電路作為充電電路給蓄電池充電；穩(wěn)壓電路用三端穩(wěn)壓器組成的可調(diào)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定充電電壓；充電電路在市電正常供電時(shí)將交流整成直流給蓄電池充電，保證電池電量充足；市電供應(yīng)不正常時(shí)先用蓄電池緩沖供電，然后通過(guò)市電油電轉(zhuǎn)換將油電做交流電源代替市電供電直至市電恢復(fù)正常。此設(shè)計(jì)比較適用作家用短時(shí)小型后備電源。圖2-1 家用后備式UPS詳細(xì)架構(gòu)第3章

7、單元電路設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1充電電路一般充電電路可以分為恒壓充電、恒流充電、分級(jí)充電三種電路，為了簡(jiǎn)化電路、降低成本，后備式UPS一般采用恒壓式充電電路。這種UPS電源的電池充電電路主要完成以下任務(wù)：1、 當(dāng)市電供電正常時(shí)，利用來(lái)自市電電源的能量對(duì)蓄電池組提供直流浮充電源。2、 當(dāng)市電供電不正常時(shí)，將電池充電器電路置于關(guān)斷狀態(tài)，以避免UPS利用蓄電池所提供的直流能量經(jīng)逆變器變成50HZ的方波交變電源后，再將方波電源所提供的能量，經(jīng)電池充電器變成直流電源來(lái)對(duì)蓄電池本身進(jìn)行再充電。本設(shè)計(jì)中充電電路包括變壓、整流、濾波、以及穩(wěn)壓部分，將市電或油電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娊o蓄電池充電，具體電路如圖2-1所示。圖3-

8、1 充電電路將市電接入充電變壓器，變壓輸出一個(gè)低壓交流，因電壓比較低，充電對(duì)電壓要求不是很高，故用二極管整流橋整流再經(jīng)過(guò)濾波電路后用可調(diào)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓處理，再濾波后給蓄電池組充電。3.2 逆變電路逆變電路是在市電供應(yīng)不正常時(shí)，將蓄電池直流電壓變換成交流電暫時(shí)向負(fù)載供電的部分。逆變器性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到UPS供電的可靠程度。選用的是直接驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET，其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，比較經(jīng)濟(jì)。直接驅(qū)動(dòng)有以下幾種基本形式。圖中3-2 (a)是最基本的形式，功率MOSFET的控制功率較小時(shí)可以采用。圖3-2 (b)是針對(duì)3-2 (a)驅(qū)動(dòng)能力弱的特點(diǎn)，加入了一級(jí)射極跟隨器，并且在T的發(fā)射結(jié)反并了一個(gè)二極管

9、D，其目的是為輸入電容提供通路。圖中3-2 (c)是將圖3-2 (b)中的二極管D改為三極管T，其作用是 當(dāng)VC為低電平時(shí)，T導(dǎo)通為輸入電容提供放電通路。一般人們將T1和T2按圖中連接的電路稱為推挽電路，在實(shí)用電路中較為常見(jiàn)。(b)(a) （c）圖3-2 直接驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET基本電路本設(shè)計(jì)采用單相橋式逆變電路，其原理圖如圖3-3(a)、(b)所示。通過(guò)PWM控制芯片SG3525來(lái)控制逆變，SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的，其詳細(xì)功能這里不作贅述。我們用11、14兩管腳控制四個(gè)MOSFET的通斷，實(shí)現(xiàn)電流逆變。11、14管腳是兩路互

10、補(bǔ)輸出端，通過(guò)后面的變壓器輸出兩路同名電壓來(lái)控制上面4個(gè)MOSFET，正因?yàn)槭腔パa(bǔ)輸出，所以四個(gè)MOS管能交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)逆變。比如14腳先輸出高電平，通過(guò)后面的NPN型三極管VT1使T3輸出兩路同名電壓，Q1-B/Q1-E、Q4-B/Q4-E分別使MOS管Q1、Q4導(dǎo)通，而Q2、Q3則不導(dǎo)通，此時(shí)電池電流流向是：正極 - Q1 - C1 - T2上- T2下 - Q4 - 電池負(fù)極；同理，SG3525的11腳高電平時(shí)，電流路線是：正極 - Q2 - T2下 - T2上 - C1 - Q3 - 電池負(fù)極，調(diào)節(jié)SG3525其它管腳的阻抗值就能使11、14腳輸出頻率為50HZ，即讓4個(gè)MOS管輸出頻

11、率為50HZ的正弦波，實(shí)現(xiàn)逆變功能。（a）（b）圖3-3 逆變電路原理圖3.3 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路包括兩部分：市電-電池轉(zhuǎn)換部分，市電-油電轉(zhuǎn)換部分；市電-電池轉(zhuǎn)換是用來(lái)在停電時(shí)爭(zhēng)取后面市電-油電轉(zhuǎn)換的時(shí)間，待油機(jī)啟動(dòng)發(fā)電后，自動(dòng)斷開(kāi)逆變電路，由油機(jī)發(fā)電代替市電并經(jīng)過(guò)一系列調(diào)整后向負(fù)載供電，保證負(fù)載正常運(yùn)行。如開(kāi)關(guān)打向上時(shí)則U2導(dǎo)通，接通市電供電線路，開(kāi)關(guān)打向下時(shí)U1導(dǎo)通，接通逆變供電線路。具體電路圖見(jiàn)圖3-4。圖3-4 市電-電池轉(zhuǎn)換電路市電-油電轉(zhuǎn)換則只能在停電后通過(guò)人工啟動(dòng)油機(jī)發(fā)電后手動(dòng)切換，具有一定局限性，因電路比較簡(jiǎn)單，這里不做詳細(xì)說(shuō)明。3.4偵測(cè)電路3.4.1市電輸入監(jiān)測(cè)市電輸入檢測(cè)

12、是利用降壓變壓器將市電降壓整流濾波邊為直流，再檢查該直流電壓有無(wú)，以判斷是否有市電輸入。如圖3-5所示。當(dāng)有效值為220V的市電電源經(jīng)市電輸入檢測(cè)變壓器GT1降壓處理后，得到一個(gè)正弦波信號(hào)V2。市電電壓檢測(cè)信號(hào)由V2送入單片機(jī)。CPU根據(jù)此信號(hào)的不同情況對(duì)市電-電池開(kāi)關(guān)做出不同控制，可見(jiàn)圖2-1系統(tǒng)詳細(xì)架構(gòu)框圖。圖3-5市電輸入偵測(cè)3.4.2 總輸出電壓偵測(cè)在系統(tǒng)輸出線路上安裝取樣反饋互感器，經(jīng)全橋整流，電阻分壓后送入CPU，對(duì)輸出電壓實(shí)行實(shí)時(shí)偵測(cè)，如圖3-6所示。圖3-6 輸出電壓偵測(cè)電路3.4.3 電池電壓偵測(cè)及保護(hù)電路蓄電池在使用過(guò)程中常因?yàn)檫^(guò)充電或過(guò)放電而損壞電池板，而過(guò)放電造成蓄電池

13、的化學(xué)物質(zhì)無(wú)法恢復(fù)從而減小蓄電池的容量。為保證蓄電池免受上述損害，必須設(shè)置保護(hù)電路。后備式UPS的運(yùn)行中，當(dāng)市電供電出故障時(shí)，UPS將進(jìn)入由逆變器向外送出方波電源的局面。一旦出現(xiàn)這種局面，電池組將通過(guò)放電的方式向逆變器提供直流能量。隨著電池放電過(guò)程的不斷進(jìn)行，電池組的端電壓將不斷下降。當(dāng)電池兩端電壓低于它兩端放電終了電壓稱為欠壓。蓄電池在放電后期不僅兩端電壓快速下降，過(guò)度放電會(huì)損壞蓄電池，故蓄電池電壓下降到某一數(shù)值時(shí)，必須進(jìn)行欠壓保護(hù)。電池電壓取樣主要是作為逆變時(shí)停止逆變以及有市電時(shí)對(duì)蓄電池充電控制的依據(jù)，按密封免維護(hù)鉛蓄電池充電電路規(guī)范，在電池電壓低于47V時(shí)應(yīng)停止放電，并立即充電。當(dāng)充電至

14、53V時(shí)，應(yīng)停止充電，且充電電流應(yīng)符合電池要求。電池電壓取樣偵測(cè)電路如圖3-7所示。 圖3-7 電池電壓取樣電路及過(guò)低自動(dòng)保護(hù)電池電壓經(jīng)由R2、R3組成的電阻分壓器分壓后一路經(jīng)電容濾波后直接送去微機(jī)，另一路被送到晶體管Q1（2N3904）的基極上。當(dāng)電池組的端電壓高出它的臨界放電電壓時(shí)，Q1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，由于Q1的集電極和另一晶體管Q2（2N3904）的基極是相連的。所以Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，不會(huì)對(duì)UPS電源的其他電路的正常工作產(chǎn)生影響。然而當(dāng)電池組的端電壓下降到它的臨界放電電壓時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)通，Q2集電極接近于零電平，反饋到CPU。第4章 總結(jié)很快就結(jié)束了兩周的課程設(shè)計(jì)，讓我或多或少有

15、些小小的心得和感想，可以說(shuō)這次UPS不間斷電源課程設(shè)計(jì)是在大家共同努力和老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。剛拿到這個(gè)課題時(shí)我好茫然，不知該從何下手，通過(guò)在圖書(shū)館和網(wǎng)上查資料，請(qǐng)教周圍同學(xué)，兩三天后才弄清設(shè)計(jì)思路和原理，經(jīng)過(guò)幾乎兩周的時(shí)間，終于完成了任務(wù)。此次設(shè)計(jì)中用到了很多電力電子的常用知識(shí)原理，用到了各種元器件、各種功能電路比如整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變等等，電力電子元器件的應(yīng)用是非常靈活的，設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)各種功能，就要分析問(wèn)題，提取知識(shí)然后解決問(wèn)題，這鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，然后電路圖的繪制需要用到繪圖軟件，我這次用的是protel，在設(shè)計(jì)中無(wú)形加強(qiáng)了自己對(duì)這個(gè)繪圖軟件的操作的熟悉和

16、了解，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作是非常有幫助的。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的能力的重要環(huán)節(jié)。過(guò)程中需要獨(dú)立思考問(wèn)題，應(yīng)用理論知識(shí)分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程，我們應(yīng)該重視并好好利用這次機(jī)會(huì)，鍛煉自己，提高自己，為以后的發(fā)展做一點(diǎn)準(zhǔn)備。在此我要感謝梁錦老師，給了我很多悉心指導(dǎo)，幫助我圓滿完成了這次設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到了很多。參考文獻(xiàn)1王兆安，黃俊主編，電力電子技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.52薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應(yīng)用實(shí)例，電子工業(yè)出版社，2001.103. 陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社19984. 張乃國(guó)電源技術(shù)北京：中國(guó)電力出版社，1998附錄電氣與信息工程系課程設(shè)計(jì)評(píng)分表項(xiàng) 目評(píng) 價(jià)優(yōu)良中及格差設(shè)計(jì)方案的合理性與創(chuàng)造性(10%)開(kāi)發(fā)板焊接及