小功率UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 1 小功率 電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 第一章 小功率 電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 質(zhì)、高效、可靠的交流電能的重要外部設(shè)備，并且具有保護(hù)和檢測(cè)監(jiān)控功能的供電設(shè)備，對(duì)于計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)、通信、金融、電力、交通、國防及高等院校、科研院所等部門的供電起著關(guān)鍵的作用。 介 不間斷電源是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)， 市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的 時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)， 即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng) 220V 交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。 不間斷電源工作原理框圖 部分組成：整流、儲(chǔ)能、變換和開關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 2 外電的變化 控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲(chǔ)能電池來完成，由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流直能的功能外，對(duì)整流器來說就像接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對(duì)干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便 源系統(tǒng)的日常操 作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。 在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)， 儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源，維持正常的生產(chǎn)；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。 機(jī)和儲(chǔ)能電池。額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分，并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)?源對(duì)不同性能的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不同，通常負(fù)載功率應(yīng)滿足 源 70%的額定功率。儲(chǔ) 能電池容量的選取當(dāng)負(fù)載功率確定后主要取決其后備時(shí)間的長(zhǎng)短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來定，通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。 計(jì)目的 有的時(shí)候，正在寫一段文章，或者編一個(gè)程序，或者在用畫筆畫一幅畫，突然屏幕一下子黑了 停電了。哎，里面的東西都不見了，白干了半天，連存盤的機(jī)會(huì)都沒有。要是搞科研的科學(xué)家也遇到這樣的情況，損失就更大了。能不能想個(gè)辦法，使電腦繼續(xù)工作，或者在市電停止的時(shí)候，機(jī)器能在短時(shí)間內(nèi)保持一段時(shí)間的電，使人們有機(jī)會(huì)把已經(jīng)干完的工作存盤，以便下一次接著工作呢？辦 法一，買一臺(tái)發(fā)電機(jī)，這種方法對(duì)于一般用戶來說是比較困難的；辦法二，買一臺(tái) 個(gè)方法較為容易實(shí)現(xiàn)。 據(jù) 部電腦故障的 45%是由電源問題引起的；在中國，大城市停電的次數(shù)平均為 月，中等城市為 2次 /月，小城市或村鎮(zhèn)為 4次 /月，電網(wǎng)存在至少九種問題：斷電、雷擊尖峰、浪涌、頻率震蕩、電壓突變、電壓波動(dòng)、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾；因此從改善電源質(zhì)量的角度來說給電腦配備一臺(tái) 十分湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 3 必要的。 另外，精密的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信設(shè)備是不允許電力有間斷的，以服務(wù)器為核心的網(wǎng)絡(luò)中心要配備 不言而喻 的，即使是一臺(tái)普通電腦，其使用三個(gè)月以后的數(shù)據(jù)文件等軟件價(jià)值就已經(jīng)超過了硬件價(jià)值，因此為防止數(shù)據(jù)丟失而配備 是十分必須的。 綜上所述，設(shè)計(jì)一個(gè)小功率 電系統(tǒng)，來滿足對(duì)電能質(zhì)量非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所如個(gè)人家庭用戶等的不間斷供電需求是非常有必要的。 計(jì)要求 主要研究小功率 設(shè)計(jì)原理及簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案采用 備式工作狀態(tài)，對(duì)非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所提供較為優(yōu)質(zhì)的不間斷電源系統(tǒng)，防止突然斷電而影響正常工作或是給機(jī)器造成損害，論文著重對(duì) 電設(shè)計(jì)方案中的整流濾波電路部分、逆變電 路部分、蓄電池部分進(jìn)行介紹和分析，對(duì)該 功率的供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，包括其功能、用途、工作方式等，根據(jù)已掌握的知識(shí)對(duì)小功率 且能滿足非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所不間斷供電的要求，通過針對(duì) 各不同工作方式進(jìn)行比較分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，其電路主要參數(shù)：輸入電壓：?jiǎn)蜗?220V 20%；輸入頻率： 505% ；輸出電壓： 220V；輸出頻率： 50 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 4 第二章 源分析 源發(fā)展歷史 最早的 東西：采用了非常原始的機(jī)械儲(chǔ)能方式，是帶有一個(gè)大飛輪的電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)組，在發(fā)電機(jī)上帶有一個(gè)數(shù)噸重的飛輪，市電停電后該發(fā)電機(jī)可以維持正常供電數(shù)秒鐘。現(xiàn)代的逆變式 世后，在近十幾年中得到了迅速發(fā)展。就其技術(shù)性能講，它走過了從方波到正弦波、從離線式到在線式、從小功率到大功率、從常規(guī)延時(shí)（分鐘級(jí)）到長(zhǎng)延時(shí)（小時(shí)級(jí)）、從簡(jiǎn)單不停電供電到智能化操作和處理功能的發(fā)展歷程。隨著蓄電池和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其控制電路也發(fā)展很快，由開始的立分元件的簡(jiǎn)單控制發(fā)展到今天的微處理機(jī)控制，由硬件控制又發(fā)展成軟件控制，如軟件濾波 器；甚至光纖通訊也被引入 且，微處理機(jī)也已被廣泛應(yīng)用于小容量的 ，甚至還專門為蓄電池的監(jiān)控設(shè)立了微處理機(jī)，以保持電池的最佳狀態(tài)。 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，現(xiàn)在在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的 再只是單純的電源設(shè)備，而逐步成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電源的管理中心， 最初單純不間斷供電已發(fā)展到今天的智能化、多功能。新型的 身融合了多種新技術(shù)， 僅是提供不間斷電源的工具，而且當(dāng)作為負(fù)載的設(shè)備在無人值守時(shí)，當(dāng)市電故障后， 以按照事先的約定順序關(guān)機(jī)，甚至還可以自動(dòng)發(fā)傳呼或 現(xiàn)代的 能實(shí)現(xiàn)事件記錄、故障告警、 節(jié)等多項(xiàng)功能，提供了完全的電源管理解決方案。現(xiàn)在有些 度和煙霧等進(jìn)行監(jiān)視。 色 。“綠色 以減少 統(tǒng)使用的電能量，既降低了費(fèi)用又保護(hù)了環(huán)境。比如“綠色 檢測(cè)到打印機(jī)長(zhǎng)時(shí)間空閑后 ,就會(huì)把打印機(jī)的電源關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)打印排隊(duì)請(qǐng)求時(shí)， 著“綠色 出現(xiàn)，為節(jié)約能源又提供了理想的解決方 案。 源工作原理 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 5 源主要由主機(jī)及蓄電池、電池柜等組成，分為在線式、后備式及在線互動(dòng)式等多種，根據(jù)頻率分高頻機(jī)和工頻機(jī)，它在機(jī)器有電工作時(shí)，就將市電交流電整流，并儲(chǔ)存在自己的電源中，一旦停止供電，它就能提供電源，使用電設(shè)備維持一段工作時(shí)間，保持時(shí)間可能是 10分鐘、半小時(shí)等，延時(shí)時(shí)間一般由蓄電池的容量決定。 高可靠性不間斷供電 保證動(dòng)力的連續(xù)性 電網(wǎng)穩(wěn)壓、凈化功能 消除電網(wǎng)波動(dòng)、污染 電池管理功能 延長(zhǎng)電池使用壽命 智能監(jiān)控功能 有效解決電源維 護(hù)功能 電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各種結(jié)構(gòu)形式 出現(xiàn)和電路技術(shù)水平、半導(dǎo)體器件的發(fā)展水平以實(shí)際應(yīng)用的需要等因素有密切的關(guān)系。技術(shù)不斷進(jìn)步、電路結(jié)構(gòu)不斷更新和完善以及多種電路結(jié)構(gòu)形式并存，各不同電路結(jié)構(gòu)形式的 有各自的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)前市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的主流 括后備式、在線互動(dòng)式、在線式，以下對(duì)這幾種電路形式的 電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作方式、主要電性能指標(biāo)和應(yīng)用對(duì)象做簡(jiǎn)單說明。 在線式 在線式 運(yùn)作模式為“市電和用電設(shè)備是隔離的， 市電不會(huì)直接供電給用電設(shè)備”，而是到了 兵分兩路，一路為電池充電，另一路則轉(zhuǎn)回交流電，供電給用電設(shè)備，市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電時(shí)，電池從充電轉(zhuǎn)為供電，直到市電恢復(fù)正常才轉(zhuǎn)回充電，“ 用電的整個(gè)過程是全程介入的”。其優(yōu)點(diǎn)是輸出的波型和市電一樣是正弦波，而且純凈無雜訊，不受市電不穩(wěn)定的影響，可供電給“電感型負(fù)載”，例如電風(fēng)扇，只要在 出功率足夠的前題下，可以供電給任何使用市電的設(shè)備。 性能特點(diǎn)： 市電正常時(shí)，工作效率極高，可達(dá) 98%以上； 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分取決 于負(fù)載性質(zhì)，它本身不對(duì)電網(wǎng)附加諧波干擾； 輸出能力強(qiáng)，適應(yīng)各種阻抗性質(zhì)的負(fù)載，對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)和過載能力等沒有嚴(yán)格要求； 輸出電壓精度和穩(wěn)定度均差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求； 逆變器直接接在 出端，并處于熱備份狀態(tài)，對(duì)輸出電壓尖峰干擾有一定的抑制作用； 電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高； 變換器同時(shí)具有充電功能，且其充電能力很強(qiáng)； 因?yàn)檩斎腴_關(guān)存在斷開時(shí)間，所以 比后備式要短，一般為 4 6 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 6 后備式 后備式又稱為非在線式不間斷電源（ 它只是“備援”性質(zhì)的 電直接供電給用電設(shè)備也為電池充電（ 一旦市電供電品質(zhì)不穩(wěn)或停電了，市電的回路會(huì)自動(dòng)切斷，電池的直流電會(huì)被轉(zhuǎn)換成交流電接手供電的任務(wù)（ 直到市電恢復(fù)正常，“ 不過從直流電轉(zhuǎn)換的交流電是方波，只限于供電給電容型負(fù)載，如電腦和監(jiān)視器。 后備式 靜止型 最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只應(yīng)用于小功率供電的范圍，其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低廉，電性能指標(biāo)能滿 足一般負(fù)載要求。 對(duì)于計(jì)算機(jī)負(fù)載輸入開關(guān)電源而言，方波和準(zhǔn)正弦波都是可用的。因?yàn)殚_關(guān)電源的輸入電路是整流濾波電路，只要方波和準(zhǔn)正弦波電壓的幅值接近正弦波電壓的峰值，那么這兩種波形整流后的直流電壓都是一樣的。市電正弦波的三個(gè)重要參數(shù)是頻率、峰值和有效值，準(zhǔn)正弦波的這三個(gè)參數(shù)可以做到與正弦波電壓完全相同，對(duì)于計(jì)算機(jī)輸入開關(guān)電源而言，它無異于真正的正弦波。在正弦波輸出電壓和準(zhǔn)正弦波輸出電壓所形成的輸出電流波形的面積一樣的情況下，正弦波輸出時(shí)的輸出電流幅值高而時(shí)間短，準(zhǔn)正弦波輸出時(shí)的電流幅值小而時(shí)間長(zhǎng)。再者，準(zhǔn)正弦 波輸出時(shí)的逆變器工作在低頻狀態(tài)，而正弦波輸出逆變器工作在高頻狀態(tài)，所以相對(duì)于正弦波輸出，準(zhǔn)正弦波輸出使 變器的控制電路簡(jiǎn)單易行，對(duì)逆變器開關(guān)器件的性能要求低，逆變效率和可靠性都高一些。 性能特點(diǎn)： 市電正常時(shí)，工作效率極高，可達(dá) 98%以上； 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分取決于負(fù)載性質(zhì)，它本身不對(duì)電網(wǎng)附加諧波干擾； 輸出能力強(qiáng)，適應(yīng)各種阻抗性質(zhì)的負(fù)載，對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)和過載能力等沒有嚴(yán)格限制； 輸出電壓精度和穩(wěn)定度均差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求； 抗高頻干擾的功能 主要靠輸出、輸入端設(shè)置的高頻濾波器； 市電掉電后，電池逆變輸出電壓多為方波或準(zhǔn)正弦波；市電掉電時(shí)輸出電壓切換時(shí)間取決于繼電器轉(zhuǎn)換開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，一般為 4 10 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間限制，一般的后備式 出功率多在 2A 以下； 電路簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低廉。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 7 第三章 小功率 電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 對(duì)比上述兩種 作方式及主要電性能指標(biāo)、應(yīng)用對(duì)象的說明和比較，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目的，基于后備式的各個(gè)性能特點(diǎn)及價(jià)格方面在小功率的應(yīng)用場(chǎng)合 優(yōu)于在線式，故設(shè)計(jì)采用 備式工作方式。以下對(duì)后備式供電系統(tǒng)中幾個(gè)主要電路及技術(shù)進(jìn)行分析和介紹。 流濾波電路部分 在 入電路的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是整流器 /充電器，不過小功率的整流器和充電器是分開的，在對(duì) 常有必要對(duì)整流濾波電路進(jìn)行分析。 由于變化多端的市電輸入后，首先由整流器進(jìn)行加工，所以掌握整流器中電流的流向和一般計(jì)算方法，知道幾種整流的區(qū)別及特點(diǎn)，對(duì)于正確使用 判斷故障是很重要的。 單相半波整流濾波電路 如上圖示為單相半波整流濾波電路原理圖， 由于整流器具有單向?qū)ǖ奶匦裕暂斎腚妷?二極管 流后就變成了單相脈動(dòng)波 而輸入的負(fù)半周被隔離掉。一般整流器后面都有電容濾波器，如上圖中 C 將脈動(dòng)波變成直流波 U c 。 單相全波整流濾波電路 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 8 單相半波整流電路一般都用于小功率的情況，當(dāng)功率稍微增大時(shí)必須用全波整流。上圖所示為單相全波整流電路原理圖及整流波形圖，不難看出，這是兩個(gè)單相半波整流器的組合，電路前增加變壓器，目的是為了使次級(jí)電壓可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求隨意變換。 單相橋式整流濾波電路 如上圖所示為單 相橋式整流濾波電路原理圖，這種整流工作方式和前兩者不同，前兩者的工作過程中電流在每半波只流過一只整流二級(jí)管，而這種工作方式下每半波的電流流過兩只整流二極管。 綜合討論上述三種整流濾波電路，均非常簡(jiǎn)單，但是各有特點(diǎn)。全波整流雖然只用了兩只二極管，但是卻多用了一組變壓器繞組，且要求二極管反向耐壓值為輸入電壓峰值的二倍，單相橋式整流電路雖然多用了兩只二極管，卻少用了一組變壓器繞組，對(duì)二極管反向耐壓的要求也低了一半，因此，雖然后兩種電路都是輸出全波，但綜合各自優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用單相橋式整流濾波電路。 關(guān)電源部 分 部分組成：整流、儲(chǔ)能、變換和開關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器， 本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。 凈化功能由儲(chǔ)能電池來完成，由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流直能的功能外，對(duì)整流器來說就象接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電 容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對(duì)干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 9 取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便 源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān)， 檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。 在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)， 儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源， 維持正常的生產(chǎn)；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。 開關(guān)電源原理圖： ，主機(jī)和儲(chǔ)能電池。額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分，并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)?通常負(fù)載功率應(yīng)滿足 0的額定功率。儲(chǔ)能電池容量的選取當(dāng)負(fù)載功率確定后主要取決其后備時(shí)間的長(zhǎng)短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來定，通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。 自行啟動(dòng)供電，且隨著儲(chǔ)能電池慢慢放電，儲(chǔ)能電池的容量隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低，考慮到壽命終止時(shí)儲(chǔ)能電池容量下降到 50并留有一定的余量，工作時(shí)間當(dāng)儲(chǔ)能電池滿容量時(shí)為 2小時(shí)，半容量為 1小時(shí)。 變電路部分 在逆變器中，完成直流變交流的電能前向主通道為逆變主電路，它主要由功率開關(guān)元件，變壓器及電解電容等構(gòu)成，通過控制功率開關(guān)元件有規(guī)律的通和斷，使電流按預(yù)期的途徑流通而實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換。 單相全橋式逆變電路 單相全橋式逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 它主要由直流電源 E、輸出變壓器 T、四個(gè)功率開關(guān)器件組成。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 10 工作原理：在如圖所示的電路中，首先令 控制電壓為負(fù)值，使 止，令 控制電 壓為正值，使 流的流通路徑為： E 壓器初級(jí) E。如果忽略兩個(gè)導(dǎo)通管的管壓降，則變壓器初級(jí)電壓為 ，變壓器次級(jí)電壓為 1，其中 級(jí)匝數(shù)。 接下來的時(shí)段關(guān)斷， 通，電流流經(jīng)路徑為： E 壓器初級(jí) E。使電路按上述方式周而復(fù)始地工作，則可在變壓器次級(jí)獲得交變的電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流變交流的功能。 單相推挽式逆變電路 單相推挽式逆變電路主要是由直流電源 E、輸出變壓器和 功率開關(guān)器件 組成，在這種結(jié)構(gòu)的電路中，要求兩個(gè)初級(jí)繞組的匝數(shù)必須相等，即 2。 工作原理： 替導(dǎo)通，當(dāng) 通而 止期間，忽略管壓降，則變壓器初級(jí)電壓為 ，變壓器的次級(jí)電壓為 1,受的電壓為 2E。當(dāng) 斷 導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)等效串聯(lián)電感維持原電流不變，因而導(dǎo)致初級(jí)繞組的電壓極性與 通時(shí)相反，即 組的“ 1”端為正，而“ 2”端為負(fù)， 組的“ 2”端為正，而“ 3”端為負(fù)，故該等效電感的能量只能通過 流電源 E 反饋。 當(dāng) 通而 止期間，則變壓器初級(jí)電壓為 E，變壓器的次級(jí)電壓為 3E/間 電壓為 2E，當(dāng) 斷 導(dǎo)通時(shí)變壓器初級(jí)等效串聯(lián)電感的能量只能通過 直流電源 E 反饋。 此后，使電路按此規(guī)律周而復(fù)始地工作，則可在變壓器次級(jí)獲得交變的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)直流變交流的功能。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 單相半橋式逆變電路 單相半橋式逆變電路是由直流電源 E、分壓電容器 率開關(guān)器件 輸出變壓器 T 等所組成，其電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。 工作原理：在 說明半橋式逆變電路的工作原理之前，要明確的是電路中的分壓電容器 容量相等，即 時(shí)，假設(shè)電容器的容量足夠大以至于在電路工作過程中 端電壓幾乎不變，即此時(shí)有 。下面說明電路的工作原理。 首先，令 0， 0， 通， 止。期間， 電，其路徑為 壓器初級(jí)繞組 ，電容器 電，其路徑為 E+ 壓器初級(jí)繞組 E ，前面已經(jīng)假定，在 不變的前提條件下，變壓器的初級(jí)兩端電壓 E/2。 在 斷而 導(dǎo)通前這段時(shí)間，電路中“ 1”端和“ 2”端間的等效串聯(lián)電感通過 電容 放能量。 在接下來的時(shí)刻， 0， 0，于是 通， 止。期間，電容器電，其路徑為 E+ 壓器初級(jí)繞組 E ，電容器 路徑為變壓器初級(jí)繞組 。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 12 在 斷而 導(dǎo)通前這段時(shí)間，電路中“ 1”端和“ 2”端間的等效串聯(lián)電感通過 電容 放能量。 通過對(duì)單相推挽式逆變電路的分析可知，若在直流電壓 E 和輸出功率相同 的條件下，該電路與全橋式逆變電路相比較，雖然少用了兩個(gè)功率開關(guān)器件，但是所用的器件的耐壓值卻要高一倍，而且變壓器的初級(jí)要有中心抽頭，這給變壓器的制作增加了難度。但是由于小型 的蓄電池組電壓較低，功率開關(guān)器件耐壓值就算取 4 倍的直流電壓值也不過幾百伏，加上推挽式逆變電路的變壓器初級(jí)回路只有兩個(gè)功率開關(guān)管，因而其功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗比全橋電路的少，所以在小功率 電電路部分 在介紹蓄電池充電電路之前，先介紹蓄電池的充電電壓、充電電流、充電 方式。 充電電壓：由于 電池屬于備用工作方式，在市電正常的情況下處于充電狀態(tài)，只有停電時(shí)才會(huì)放電，為延長(zhǎng)電池的使用壽命， 充電器一般采用恒壓限流控制方式，蓄電池充滿后即為浮充狀態(tài)。 對(duì)于端電壓為 12V 的蓄電池，正常的浮充電壓在 ，即認(rèn)為是過壓充電，嚴(yán)禁對(duì)蓄電池組過壓充電，因?yàn)檫^壓充電會(huì)造成蓄電池中的電解液所含的水被電解成氫氣和氧氣逸出，使電解液濃度增大，導(dǎo)致蓄電池壽命縮短甚至燒壞。 充電電流：蓄電池充放電電流一般以 C 來表示， C 的實(shí)際值與蓄電池容量有關(guān)，充電電流過大或過小都會(huì)影 響蓄電池的使用壽命。 理想的充電電流應(yīng)采用分階段定流充電的方式，即在充電初期采用較大的電流，充電一定時(shí)間后改為較小的電流，充電末期改用更小的電流。充電電流的設(shè)計(jì)值一般為 充電電流超過 流充電會(huì)導(dǎo)致蓄電池極板彎曲，活性物質(zhì)脫落，造成蓄電池供電容量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害蓄電池。避免用快速充電器充電，否則會(huì)使蓄電池處于瞬間過流充電和瞬時(shí)過壓充電狀態(tài)，造成蓄電池可供使用電量下降，甚至損壞蓄電池。 充電方式：鉛酸蓄電池放電產(chǎn)物是硫酸鉛，若不及時(shí)轉(zhuǎn)化掉，會(huì)使蓄電池處于充電不足狀態(tài)，從而 降低蓄電池放電容量和縮短蓄電池的使用壽命。因此必須使蓄電池處于充足電狀態(tài)。一般采用恒壓充電制，針對(duì)不同情況，可分為浮充充電和均衡充電兩種充電方式。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 13 浮充充電：在線式蓄電池組長(zhǎng)期并聯(lián)在充電器和負(fù)載線路上作為后備電源，一般情況下都采用浮充充電方式，單體蓄電池電壓控制在 對(duì)于 2V 的蓄電池），并定期觀察、記錄電壓變化情況。如果單體蓄電池電壓偏低，說明蓄電池充電不足、容量不夠。 均衡充電：所謂均衡充電式把每個(gè)蓄電池單元并聯(lián)起來，用統(tǒng)一的充電電壓進(jìn)行充電。如果蓄電池組在浮充過程中存在落后蓄電池（單體電壓 低于 對(duì)于 2浮充 3個(gè)月后，宜進(jìn)行均衡充電過程，其單體蓄電池充電電壓控制在 6 8小時(shí)，然后轉(zhuǎn)回浮充電壓值。 下面對(duì)后備式 電電路做簡(jiǎn)單介紹： 為了簡(jiǎn)化電路、降低成本，后備式 常采用恒壓充電。恒壓充電電路由降壓變壓器、整流橋模塊、集成穩(wěn)壓電路組成。 該圖為后備式充電電路原理圖，以 24220 后變?yōu)?27V 交流電壓，該電壓經(jīng)整流橋及濾波電容 C 整流濾波后變?yōu)槠交?33V 直流電壓。該直流電壓經(jīng)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓芯片 壓后輸出，通過調(diào)整可調(diào)電阻 輸出電壓。 對(duì)于恒壓充電電路，一定要合理調(diào)整其輸出的充電電壓。若充電電壓過高，則充電初期的充電電流就會(huì)過大，容易損壞蓄電池，而充電電壓過低，則充電后期的充電電流就會(huì)過小，造成充電不足， 備工作時(shí)間就會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于24放電終了電壓為 12=21V，充電終了電壓即浮充電壓為 12=27V，所以一般將充電電路的輸出電壓調(diào)整在 27V 左右，此時(shí)通過調(diào)整串聯(lián)在充電器與蓄電池之間的限流電阻 流不超過 電后期的充電電流接近 圖中二極管 保護(hù)二極管，其作用是防止當(dāng)市電中斷時(shí)， 輸出電容湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 14 第四章 蓄電池部分 蓄電池是 統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè) 統(tǒng)的可靠性，然而蓄電池卻又是整個(gè) 目前在 能化學(xué)能電能。在蓄電池中，先用直流電源對(duì)其充電，將電 能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存起來，當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)， 靠?jī)?chǔ)存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作。在這個(gè)過程中，蓄電池起了承上啟下的作用。不管 多么復(fù)雜，其性能最終取決于它的蓄電池，只要蓄電池失效，再好的 無法提供后備功能。 般要輸出 220V 交流電，帶動(dòng)較大功率的用電設(shè)備，在蓄電池串聯(lián)數(shù)目有限的情況下，要求有較大的輸出電流能力，目前市場(chǎng)上蓄電池的種類很多，但適用于 蓄電池主要有以下幾種： 蓄電池， 蓄電池， 蓄電池，密封式 以下是對(duì)蓄電池的簡(jiǎn)單介紹。 電池的工作原理 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（ 在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì) H)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（ 在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（ 與電解液中的硫酸（ 生反應(yīng)，變成鉛離子（ 鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（ 2e）。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 15 （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液） （ 負(fù)極） + 2+ + 2 充電反應(yīng)） (硫酸鉛 ) （水） （硫酸鉛） 可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如右圖所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 如下： 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來。 在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ 硫酸根負(fù)離子（ 由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ 斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（ 并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ 在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ 硫酸根負(fù)離子（ 由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ 中和為鉛（ 并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（ H）和硫酸根離子（ 負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（ 在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng)鉛酸蓄電池放電時(shí)， 在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流 I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（ 電解液中的硫酸根離子（ 應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ 正極板的鉛離子（ 到來 自負(fù)極的兩個(gè)電子（ 2e）后，變成二價(jià)鉛離子（ ，與電解液中的硫酸根離子（ 應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ 正極板水解出的氧離子（ 電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。 化學(xué)反應(yīng)過程如下： 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 16 （正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液）（負(fù)極） + 2 + 2 （放電反應(yīng)） (過氧化鉛 ) （硫酸） （海綿狀鉛） 電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的 作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。 放電時(shí) 負(fù)極上的硫酸鉛（ 加，電池內(nèi)阻增 大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 如下： 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。 從上面可以看出，鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。 實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池 的充電程度。 電池供電時(shí)間計(jì)算 電池供電時(shí)間主要受負(fù)載大小、電池容量、環(huán)境溫度、電池放電截止電壓等因素影響。一般計(jì)算 池供電時(shí)間，可以計(jì)算出電池放電電流 ,然后根據(jù)電池放電曲線查出其放電時(shí)間。電池放電電流可以按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 放電電流 =功率因數(shù) /電池放電平均電壓效率 如要計(jì)算實(shí)際負(fù)載放電時(shí)間，只需將 還有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法：要計(jì)算的話要把實(shí)際負(fù)載 果是 8000W 的話就是 8000/0000電池包的選型，現(xiàn)在主流電池都是 12,也是就 安時(shí)數(shù) ,一般 2的倍數(shù) 個(gè)比方如果電池包是 24外 有很多種。然后就算每組電池的電池?cái)?shù)，一個(gè)很簡(jiǎn)單的算法 ,但是并不是非常精確 (電池包電壓數(shù) 池個(gè)數(shù) =負(fù)載功率延時(shí)時(shí)間 )根據(jù)這個(gè)算出電池個(gè)數(shù)來就可以了。 電池容量的選擇 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 17 容量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)公式如下： 計(jì)算蓄電池的最大放電電流值： （ *N） 注： P 源的標(biāo)稱輸出功率 源的輸出功率因數(shù)（ 般為 際計(jì)算中可以取 E 臨界 蓄電池組的臨界放電電壓（ 12V 電池約為 2V N 每組電池的數(shù)量根據(jù)所選的蓄電池組的后備時(shí)間，查出所需的電池組的放電速率值 C，然后根據(jù)： 電池組的標(biāo)稱容量 = I 最大 / 蓄電池容量可分為理論容量、額定容量和實(shí)際容量三種。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得到的最高理論值，實(shí)際容量是指蓄電池在一定的條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，其值小于理論容量。額定容量也稱為標(biāo)稱容量或保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，保證蓄電池在一定的條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。 在衡量蓄電池的指標(biāo)中，蓄電池的額定電壓和額定容量是兩個(gè)最常用的技術(shù)指標(biāo)。 在恒流放電的情況下，蓄電池的容量為： Q=中： Q 蓄電池放出的電量， A h； I 放電電流， A； t 放電時(shí)間， h。 電池的充放電 蓄電池具有自放電效應(yīng)。從生產(chǎn)制造車間到用戶使用，大約要延誤數(shù)月時(shí)間。30 分鐘 60 分鐘 90 分鐘 120 分鐘 180 分鐘 南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 18 以松下蓄電池為例，在 30的環(huán)境溫度下儲(chǔ)藏 8 個(gè)月的時(shí)間，蓄電池的殘存容量?jī)H為出廠時(shí)的一半，因此對(duì)于新購買的 套的蓄電池，一般要進(jìn)行一次較長(zhǎng)時(shí)間的充放電，這叫做初充電。蓄電池的初充電電流大小應(yīng)按 電池的 放電終了后可進(jìn)行再充電，這叫做正常充電。目前在 充和脈沖。所謂浮充是指整流器的輸出與蓄電池并聯(lián)工作。并同時(shí)向負(fù)載供電。實(shí)際上此時(shí)整流器提供的電流分兩路：一路送給負(fù)載，另一路送給蓄電池以補(bǔ)充蓄電池自身內(nèi)部損耗。浮充充電工作方式接線簡(jiǎn)單，對(duì)改善 出瞬態(tài)響應(yīng)特性有好處。脈沖充電工作方式的特點(diǎn)是充電電流隨蓄電池容量而變化，蓄電池和負(fù)載不是并聯(lián)連接的，用這種方式充電可以縮短充電時(shí)間。 充電操作：蓄電池組放電后，應(yīng)立即轉(zhuǎn)入充電，開始控制充電電流，宜（如 200A h 蓄電池充電電流應(yīng)不大于 200=40A）。當(dāng)電流變小時(shí)，可慢慢提高蓄電池組充電電壓，達(dá)到均充電壓值后再充 6h，然后再調(diào)回浮充電壓值。 放電要求：蓄電池實(shí)際放出的容量與放電電流有關(guān)，放電電流越大，蓄電池的效率越低。例如，對(duì)于 12V/24A h 的蓄電池，當(dāng)放電電流為 ，放電至終止電壓的時(shí)間是 110際輸出容量為 h，效率為 當(dāng)放電電流為 7電至終止電壓的時(shí)間僅為 20s，實(shí)際輸出容量為 h，效率為 所以應(yīng)避免大電流放電，提高蓄電池的效率。 放電深度 ：放電深度對(duì)蓄電池使用壽命的影響也非常大，蓄電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數(shù)就越少。雖然 有蓄電池低電位保護(hù)功能，一般單節(jié)蓄電池放電至 對(duì)于 12V）左右時(shí)， 會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。但是，如果 于輕載放電或空載放電的情況下，盡管采用小電流放電能提高蓄電池的效率，但是當(dāng)用極小電流長(zhǎng)時(shí)間放電，將導(dǎo)致蓄電池時(shí)間放出容量超過其額定容量，從而造成蓄電池嚴(yán)重的深度放電。當(dāng)蓄電池放電深度為 100%時(shí)，蓄電池的實(shí)際使用壽命約為 200 250次充放電循環(huán)，放電深度為 50%時(shí)，約為 500 600 次充放電循環(huán)。 因此在使用 要避免長(zhǎng)時(shí)間輕載逆變?cè)斐尚铍姵厣疃确烹?，更要避免蓄電池短路放電，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池的再充電能力，縮短使用壽命。 放電操作：放電是為了檢查蓄電池容量是否正常，一般采用 10h 率放電，有條件的可用假負(fù)載放電，或者直接斷開市電，用蓄電池組供電?？紤]到安全性，放電深度控制在 30% 50%為宜。 湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 19 總 結(jié) 通過這次對(duì) 設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)，我更進(jìn)一步了解到 一些知識(shí)，并且熟知了 各不同種類、各工作方式，在不同的需求及工作環(huán)境下對(duì) 行選型，合理安排資源，達(dá)到對(duì) 大效率的應(yīng)用，以滿足各個(gè)不同的工作場(chǎng)所對(duì)電能質(zhì)量的要求。 本次對(duì)小功率 電電源的設(shè)計(jì)與分析，目的是為了達(dá)到 滿足對(duì)電能質(zhì)量非嚴(yán)格要求的供電場(chǎng)所如個(gè)人家庭用戶等的不間斷供電需求。 率因素校正電路、鎖相電路、充電電路、保護(hù)電路、顯示電路