UPS不間斷電源畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工、政府部門(mén)的各個(gè)領(lǐng)域要保障計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，就離不開(kāi)UPS不間斷電源，這已成為信息業(yè)界乃至各行各業(yè)的共識(shí)。根據(jù)UPS不間斷供電的原理，本文以提高UPS的可靠性為基本點(diǎn)，從UPS電源裝置的結(jié)構(gòu)和形式來(lái)考慮其設(shè)計(jì)方案。整個(gè)UPS主電源裝置由整流/充電器、逆變器、靜態(tài)旁路、維修旁路等部分組成。整流/充電器(包括蓄電池)為UPS提供在線(xiàn)工作的能量輸入；逆變器為UPS提供在線(xiàn)工作的高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電輸出；靜態(tài)旁路為UPS在整流/充電器或者逆變器故障情況下提供旁路工作電源，逆變器供電和靜態(tài)旁路供電之間可實(shí)現(xiàn)不間斷供電

2、切換；維修旁路為UPS定期檢修或故障維修時(shí)提供旁路電源。基于電源技術(shù)的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化的發(fā)展方向，本文結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及信息處理技術(shù)的最新發(fā)展，利用微機(jī)作為控制核心，研究和開(kāi)發(fā)大功率(10kVA以上)在線(xiàn)式智能UPS不間斷電源。關(guān)鍵詞： 不間斷電源 微機(jī)控制 電力電子技術(shù) 智能化 ABSTRACTWith the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fields of the national economy,

3、 national defense and war industry, government ministries, they must depend on UPS (Uninterruptible Power System) By the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The main power device is made up of rectifier, charger, inve

4、rter, static bypass, maintenance bypass. Rectifier and charger (including storage battery) offer the energy input of UPS when it is online. Inverter offers the CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency) AC output when UPS is online. Static bypass offers online bypass power supply when rectifier,

5、 charger, or inverter results in faults, and the switching between inverter and static bypass is not interruptible. Maintenance bypass offers bypass power supply when UPS needs repairing or Maintaining.Based on the development trend of higher frequency, modularization, digitalization, and greenness

6、for power technology, this paper is relevant to the recent development of modem power electronics technology and information processing technology, and has studied the above middle capacity (Above 10KVA) online intelligent UPS, using microprocessor as core control.Keywords: UPS Control by microproce

7、ssor Power Electronics Technology Intelligent目 錄第一章 概述11.1 UPS的發(fā)展11.1.1 UPS的發(fā)展歷程 11.1.2 UPS的發(fā)展前景 31.2 本課題研究的目的和意義 41.3 本課題的任務(wù)和要求 51.3.1 本課題的任務(wù)51.3.2 本課題的要求5第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案72.1 UPS電源不間斷供電的原理72.1.1 負(fù)載間斷供電的原因72.1.2 不間斷供電的原理72.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖 92.3 整流/充電器設(shè)計(jì)方案92.4 逆變器設(shè)計(jì)方案102.5 旁路電源設(shè)計(jì)方案11第三章 整流/充電器的設(shè)計(jì)123.1 整流/充電

8、器主回路設(shè)計(jì) 123.1.1 整流變壓器的設(shè)計(jì) 133.1.2 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設(shè)計(jì) 143.1.3 主回路電路 153.2 整流/充電器控制設(shè)計(jì) 163.2.1 微處理器與16位單片機(jī) 163.2.2 整流/充電器的微機(jī)控制系統(tǒng)183.2.3 整流/充電器的控制軟件設(shè)計(jì)23第四章 逆變器的設(shè)計(jì) 244.1 PWM逆變器的原理244.1.1 逆變電路及其控制方式244.1.2 PWM逆變器的基本原理及PWM波的生成方法 264.2 UPS逆變器主回路設(shè)計(jì)294.2.1 PWM型三相橋式IGBT逆變電路 294.2.2 逆變器輸出變壓器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)334.2.3 逆變器主回路電路33

9、4.3 UPS逆變器控制電路設(shè)計(jì)344.4 UPS逆變器控制軟件設(shè)計(jì)37第五章 UPS旁路電源設(shè)計(jì) 445.1 靜態(tài)旁路的基本原理 445.2 切換與控制技術(shù) 445.3 UPS靜態(tài)旁路主電路465.4 維修旁路 47第六章 UPS系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 486.1 干擾源 486.2 干擾對(duì)UPS電源的影響486.3 EMC與抗干擾設(shè)計(jì)496.3.1 EMC簡(jiǎn)介 496.3.2 抗干擾的方法506.3.3 UPS電源抗干擾措施 50結(jié)論53致謝55參考文獻(xiàn) 56附：大功率UPS供電系統(tǒng)原理框圖及各部分設(shè)計(jì)方案圖第一章 概 述自從電子設(shè)備特別是計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，電源問(wèn)題一直是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)于一些

10、特殊位置的重要設(shè)備，人們不但關(guān)心其供電電源本身的性能指標(biāo)，更注重供電電源的質(zhì)量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因?yàn)檫@些設(shè)備的電源一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定或者消失，就將造成非常大的損失，甚至無(wú)可挽回的損失。所幸的是不間斷電源UPS(Uninterruptible Power System)的出現(xiàn)，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了廣闊的前景。1.1 UPS的發(fā)展1.1.1 UPS的發(fā)展歷程最初的UPS是本世紀(jì)六十年代初由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)供應(yīng)能量的動(dòng)態(tài)UPS，即不間斷是靠動(dòng)能維持。這種早期UPS的輸出穩(wěn)定是靠慣性飛輪對(duì)短時(shí)間電壓突變和干擾無(wú)反應(yīng)；不間斷性是靠斷電后飛輪的慣性延長(zhǎng)供電時(shí)間。當(dāng)然這種UPS的后備時(shí)間是很短的(一般不超過(guò)

11、5秒)，于是人們開(kāi)始使用備用蓄電池組，這是早期UPS的典型結(jié)構(gòu)，框圖如圖1-1所示。這樣的UPS雖然可以靠增大蓄電池容量來(lái)延長(zhǎng)后備時(shí)間，但轉(zhuǎn)換效率低，于是出現(xiàn)了內(nèi)燃式UPS系統(tǒng)，這種UPS靠?jī)?nèi)燃機(jī)提供斷電后的能量。動(dòng)態(tài)UPS設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。整流器直流電動(dòng)機(jī)交流發(fā)電機(jī)設(shè)備蓄電池市電圖1-1 早期UPS典型框圖隨著電力電子學(xué)(功率電子學(xué))的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于是出現(xiàn)了靜態(tài)UPS，它的主電路和控制電路均采用半導(dǎo)體器件，它也是目前絕大多數(shù)概念中的UPS，其典型框圖如圖1-2所示。其基本原理是：市電輸入經(jīng)整流器將交流電變成直流電，一方面給蓄電池組充電，另一方面

12、為逆變器提供能量，再將直流電變成交流電經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到負(fù)載；當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，另一路備用電源(旁路電源)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)向負(fù)載供電。整流器逆變器轉(zhuǎn)換開(kāi) 關(guān)負(fù)載蓄電池 組旁路電源市電圖1-2 靜態(tài)UPS典型框圖靜態(tài)UPS的工作方式有在線(xiàn)式和后備式(Online and Offline)，兩者主體結(jié)構(gòu)大體相同，只是后者在市電正常時(shí)工作在旁路(Bypass)，而前者只有當(dāng)逆變器故障或過(guò)載時(shí)才由旁路電源供電。一般來(lái)說(shuō)，從性能上講，在線(xiàn)式優(yōu)于后備式;從容量上講，后備式一般不大于3KVA，而在線(xiàn)式不受此限制，目前單機(jī)容量可以做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS的裝

13、機(jī)容量正不斷擴(kuò)大，并聯(lián)成為擴(kuò)大容量或者冗余系統(tǒng)的必然方法。比如M.G, EXIDE等公司的UPS機(jī)內(nèi)信號(hào)用微機(jī)處理、通訊采用普通信號(hào)，而SIEL公司采用光纖通訊OSC系統(tǒng))，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS的同相同幅、均負(fù)載的功能。由于單相進(jìn)單相出給市電配電帶來(lái)極大困難，于是出現(xiàn)了三相入單相出(3/1)的UPS，其最大容量可達(dá)60KVA以上，這種單相輸出的UPS在切換到旁路時(shí)、滿(mǎn)負(fù)載情況下市電對(duì)應(yīng)的一相將嚴(yán)重超載，因此廠家推出了三相入三相出的UPS產(chǎn)品，而且有三相負(fù)載100%不平衡產(chǎn)品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS產(chǎn)品。為改善后備式

14、UPS的供電質(zhì)量，人們研制了凈化UPS，即將凈化電源加在旁路電源上，如國(guó)產(chǎn)寶合UPS產(chǎn)品。結(jié)合后備式UPS效率高和在線(xiàn)式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了三端口UPS。它使得離線(xiàn)式和在線(xiàn)式有機(jī)結(jié)合在一起，產(chǎn)品如APC、BEST、 DELTEC、休康等。近期又出現(xiàn)了不間斷蓄電池系統(tǒng)UBS(Uninterrupted Battery System)，見(jiàn)圖1-3所示。它結(jié)合了動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS的優(yōu)點(diǎn)，只是噪聲稍大，主要應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如野外、地下室等環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。柴油發(fā)電 機(jī)蓄電池UPSOUT圖1-3 UPS典型框圖1.1.2 UPS的發(fā)展前景從以上UPS的發(fā)展歷程可看出，UPS從當(dāng)初單一的動(dòng)

15、態(tài)存儲(chǔ)式到今天多類(lèi)型多品種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、動(dòng)靜結(jié)合、在線(xiàn)式、后備式(離線(xiàn)式)、后備在線(xiàn)交叉式等。隨之，UPS的應(yīng)用領(lǐng)域也從當(dāng)初單一的計(jì)算機(jī)用戶(hù)發(fā)展到今天計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在內(nèi)的能源(如電力)、醫(yī)藥、農(nóng)林、交通、天文、地理、通訊系統(tǒng)(如網(wǎng)絡(luò)通訊)等領(lǐng)域；后備時(shí)間從當(dāng)初的幾秒鐘到今天的幾小時(shí)、幾十小時(shí)甚至更常的時(shí)間；特別是從技術(shù)內(nèi)含意義上講，從當(dāng)初單一的機(jī)械式到今天包羅了當(dāng)代全部的電子技術(shù):從微電子學(xué)到功率電子學(xué)，從線(xiàn)性電路到數(shù)字電路，從計(jì)算機(jī)硬件到軟件，從電信號(hào)通訊到光纖通訊以及機(jī)電一體化技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢(shì)，UPS不間

16、斷電源也不例外。電力電子功率器件的高頻化和模塊化使得UPS電源產(chǎn)品的體積和重量大大減小，而可靠性和效率得以提高，可帶來(lái)顯著節(jié)能、降耗的可觀經(jīng)濟(jì)效益。微處理器軟硬件的引入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。從而為UPS電源產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因?yàn)楣?jié)電可以減少發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染；其次是電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。事實(shí)上許多功率電子節(jié)能設(shè)備往往是電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的諧波電流，使得總的功率因素下降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀(jì)末各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器

17、的方案誕生，有了功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Corrector)方法，為21世紀(jì)UPS電源產(chǎn)品的綠色化奠定了基礎(chǔ)。由此可看出，UPS已當(dāng)之無(wú)魄成為當(dāng)代高科技成員，而且正隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。1.2 本課題研究的目的和意義早期的UPS產(chǎn)品因電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)、工藝水平等方面的限制，備用時(shí)間短，智能性差，所以主要作為計(jì)算機(jī)的備用電源，其它行業(yè)涉及較少，因而普及率很低。但是，隨著微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)供電的質(zhì)量要求越來(lái)越高。這是因?yàn)樵谖⑿陀?jì)算機(jī)特別是企、事業(yè)單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間供電的中斷，將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)

18、存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的丟失和程序的破壞，有時(shí)甚至?xí)勾疟P(pán)盤(pán)面及磁頭遭到損壞，造成難以彌補(bǔ)的損失。不但如此，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的提高各行各業(yè)的許多關(guān)鍵設(shè)備對(duì)電源的要求也是如此。于是高性能、高可靠性UPS越來(lái)越受到人們的關(guān)注。從國(guó)防、航天、科研到醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸，從銀行證券到商貿(mào)銷(xiāo)售，從通訊行業(yè)直至以信息高速公路為代表的新興信息產(chǎn)業(yè)(IT)，無(wú)不用到UPS不間斷電源。而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)UPS的要求越來(lái)越高：不但要求供電質(zhì)量高，而且要求智能化，這也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。人們希望將現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技

19、術(shù)等UPS相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于UPS不間斷電源，使UPS電源供電系統(tǒng)變得越來(lái)越完善，對(duì)各種性質(zhì)的負(fù)載適應(yīng)性更強(qiáng)，產(chǎn)品種類(lèi)更齊全。實(shí)際上，UPS經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展至今，性能指標(biāo)基本相似，不同點(diǎn)在于功能上的拓寬、創(chuàng)新及可靠性的高低。PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)和功率晶體管及組合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，從而降低了UPS的可聞噪聲，提高了效率和可靠性。特別是自80年代以來(lái)，微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程的迅猛發(fā)展，并引入U(xiǎn)PS領(lǐng)域，大大拓寬了UPS的功能。顯示方式從數(shù)碼顯示到液晶顯示，使得人機(jī)“對(duì)話(huà)”更加方便。利用CPU的強(qiáng)大處理功能，可做到自動(dòng)診斷、自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)、自動(dòng)打印運(yùn)行記錄，起到

20、監(jiān)控、管理系統(tǒng)的作用。隨著UPS在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用不斷發(fā)展，UPS不再是單純供電、僅僅保護(hù)服務(wù)器，而是強(qiáng)調(diào)以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為保護(hù)對(duì)象。用戶(hù)希望UPS保護(hù)的對(duì)象不再是特定的運(yùn)算設(shè)備為主，而是讓網(wǎng)絡(luò)在電源出現(xiàn)異常時(shí)，仍然可以繼續(xù)工作而不中斷。因此，UPS監(jiān)控防護(hù)軟件是UPS的新發(fā)展，這種軟硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能，使其趨向人性化；同時(shí)大大拓寬了UPS在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。智能UPS就是在這種形勢(shì)要求下發(fā)展起來(lái)的。所謂智能UPS就是將傳統(tǒng)UPS通過(guò)與PC上位機(jī)相連的硬件接口，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的軟件(稱(chēng)為監(jiān)控軟件)以提供電源和資料的雙重保護(hù)。因此監(jiān)控軟件是UPS智能化的關(guān)鍵部分。目前UPS各

21、大廠家都將UPS的監(jiān)控軟件作為產(chǎn)品竟?fàn)幜Φ囊粋€(gè)重要籌碼。UPS不間斷電源本身是集數(shù)字與模擬技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、電力電子技術(shù)、微處理器及軟件編程等技術(shù)于一體的密集型電子產(chǎn)品。另外，隨著微處理器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，將其引入U(xiǎn)PS系統(tǒng)，研制智能UPS是UPS發(fā)展的必然趨勢(shì)。UPS的發(fā)展，并由此推動(dòng)與之相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這也是我選擇本課題的初衷之一。1.3 本課題的任務(wù)和要求1.3.1 本課題的任務(wù)本課題的任務(wù)是研究設(shè)計(jì)出新一代微機(jī)控制的可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的20KVA的智能UPS系統(tǒng)。UPS主電源包括整流/充電器、逆變器、旁路電源(靜態(tài)旁路電源和維修旁路電源)三大部分組成。1.3.2 本課題的要求1. UPS

22、輸入設(shè)計(jì)要求:(1)輸入電壓:380V10%(三相四線(xiàn)制)，頻率50HZ15%；(2)輸入容量能同時(shí)滿(mǎn)足蓄電池均充和逆變器滿(mǎn)載運(yùn)行要求；(3)功率因0.8.2. UPS輸出設(shè)計(jì)要求(1)三相輸出電壓380V2%,輸出頻率500.5%，并在一定范圍內(nèi)可調(diào)（電壓正負(fù)5%，頻率正負(fù)2HZ)；(2)輸出功率大于額定功率（20KVA）；(3)過(guò)載能力125%-150%；(4)諧波失真度0.75，總功率因數(shù)0.8；(2)軟啟動(dòng)功能；(3)逆變器與后備靜態(tài)旁路鎖相同步，兩者切換時(shí)間100us；(4)具有功能指示和故障報(bào)警功能；(5)具有自保護(hù)功能；(6)具有RS232通訊接口，可遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理；第二章 系統(tǒng)

23、整體設(shè)計(jì)方案UPS不間斷電源裝置不間斷供電的含義就是指當(dāng)交流輸入電源（市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，電源裝置能繼續(xù)向負(fù)載供電，而且能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響。實(shí)現(xiàn)此目的的交流不間斷UPS電源的基本組成如圖2-1所示:整流器逆變器蓄電池市電負(fù)載圖2-1 UPS基本組成框圖在此基本組成電路中，當(dāng)市電發(fā)生斷電或異常時(shí)，關(guān)鍵在于使用蓄電池放電，以蓄電池代替整流器，向逆變器提供直流輸入從而保證負(fù)載供電的不間斷和質(zhì)量。如果深入地?cái)U(kuò)展分析，要保證負(fù)載的不間斷供電和負(fù)載的供電質(zhì)量，就必須增強(qiáng)UPS電源裝置的可靠性，因?yàn)橹挥须娫囱b置的可靠性提高了，才能使負(fù)載供電不間斷和質(zhì)量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置

24、的結(jié)構(gòu)和形式來(lái)考慮其設(shè)計(jì)方案。下面在分析不間斷供電的原理的基礎(chǔ)上，提出本課題的整體設(shè)計(jì)方案。2.1 UPS電源不間斷供電的原理2.1.1 負(fù)載間斷供電的原因造成負(fù)載間斷供電的原因有很多，概括起來(lái)，主要有:1）交流輸入電源（市電）突然發(fā)生停電。造成這種突然停電的原因較多，如：用戶(hù)發(fā)生故障或事故，造成電源跳閘；雷擊造成短路而跳閘，或者由于雷擊引起輸電線(xiàn)斷裂；鳥(niǎo)害引起斷裂而跳閘；臺(tái)風(fēng)或龍卷風(fēng)將輸電線(xiàn)刮斷等。2）交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。因此，解決負(fù)載不間斷供電須從以上三方面主要原因入手。2.1.2 不間斷供電的原理從UPS基本組成原理圖2-1可看出，(1)在交流輸入電

25、源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異?；驍嚯?、或者整流器發(fā)生故障時(shí)，整流器就無(wú)直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓，逆變器仍能正常工作。當(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦螅謴?fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。(2)當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明顯，圖2-1所示結(jié)構(gòu)的UPS就不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。解決的辦法有兩個(gè)：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。具體來(lái)說(shuō):a.如果有逆變器的冗余備用單元，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)立即切換至備用單元，保證負(fù)載的不間

26、斷供電，這時(shí)負(fù)載得到的仍是穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電；b.如果有靜態(tài)旁路輔助電源(或稱(chēng)靜態(tài)旁路電源)，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負(fù)載供電，不過(guò)，這時(shí)負(fù)載得到的是市電，供電質(zhì)量比較差，無(wú)穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負(fù)載不間斷供電。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運(yùn)行。(3)如果市電交流輸入不正常的同時(shí)，逆變器又發(fā)生故障，這時(shí)要保證負(fù)載的不間斷供電，可采用既有逆變器備用單元，又有靜態(tài)旁路電源的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)交流輸入恢復(fù)正常或者逆變器故障排除，通過(guò)靜態(tài)旁路電源向負(fù)載供電(如果市電輸入正常的話(huà))；或者通過(guò)逆變器向負(fù)載供電(如果逆變器故障排除的話(huà))。這種方案可保證負(fù)載的供電不間斷。(4)電源裝置根

27、據(jù)實(shí)際情況需要定期檢修，這時(shí)必須斷開(kāi)逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負(fù)載供電的不間斷，這時(shí)可采用增加維修旁路電源的方案。當(dāng)電源裝置維修時(shí)，通過(guò)維修旁路開(kāi)關(guān)切換至維修旁路電源，此電源取自市電；一旦維修完畢，即切換至逆變器供電或靜態(tài)旁路電源供電。綜上所述，不間斷供電的原理實(shí)質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電:采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計(jì)方案。本課題根據(jù)1.3的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，從不間斷供電的原理出發(fā)，提出下面的整體設(shè)計(jì)方案。2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖UPS不間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交

28、流電。設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)有兩個(gè)：一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定(在一定的額定精度內(nèi))；二是UPS輸出的不間斷性，即要能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。整個(gè)設(shè)計(jì)緊緊圍繞這兩個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行的：(1)蓄電池(包括充電器)是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時(shí)為負(fù)載供電的能量來(lái)源；(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個(gè)UPS核心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷；(3)旁路輔助電源(包括維修旁路電源和靜態(tài)旁路電源)是為維修、檢修UPS，或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。根據(jù)以上所述，提出如下設(shè)計(jì)原理框圖(圖2-2)：靜態(tài)開(kāi)關(guān)靜態(tài)開(kāi)關(guān)隔離變壓器整流/充電器蓄電池逆

29、變器1逆變器2負(fù)載維修旁路電源靜態(tài)旁路電源市電輸入輔助電源圖2-2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖下面以此原理框圖從整流器/充電器、逆變器、旁路輔助電源三方面分析本設(shè)計(jì)方案。2.3 整流/充電器設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)中整流器和充電器合二為一，這主要是從功率大這個(gè)因素考慮的。為實(shí)現(xiàn)大功率整流和充電的需要，設(shè)計(jì)中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控橋式整流充電電路，從而大大提高了可靠性、降低了造價(jià)?？刂齐娐凡捎?6位INTEL96系列的80C196單片機(jī)，控制簡(jiǎn)潔、方便、可靠。主回路電路示意圖見(jiàn)圖2-3所示。如圖2-3所示，三相四線(xiàn)380V交流電壓經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)KK、快速熔斷器KRD、整流變壓器降壓隔離、再經(jīng)三相全控

30、橋式整流；整流輸出經(jīng)電感L、電容C濾波，LEM霍爾電流傳感器，熔斷器RD，接觸器JQ接至220V蓄電池。微機(jī)(80C196單片機(jī)系統(tǒng))控制回路由主控、測(cè)量、同步、脈沖輸出、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出及電源等部分組成。圖2-3 整流/充電器設(shè)計(jì)方案2.4 逆變器設(shè)計(jì)方案逆變器的功率單元采用IGBT組成的三相橋式逆變電路；IGBT驅(qū)單元采用日本富士公司生產(chǎn)的EXB841驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路；逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冗余設(shè)計(jì)方案： 兩套由INTEL公司生產(chǎn)的16位微處理器80C196MC組成的控制系統(tǒng)1#和控制系統(tǒng)2# (兩者互為備用)共用一組功率單元及其驅(qū)動(dòng)單元。如圖2-4所示，逆變器的輸入來(lái)自整流/充電器

31、的直流輸出，經(jīng)三相IGBT全控逆變橋，在逆變控制系統(tǒng)SPWM控制方式下產(chǎn)生SPWM脈沖波輸出，再經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的隔離變壓器(原邊為三角形接法，副邊為星形接法)隔離、濾波后產(chǎn)生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的正弦交流電輸出。其中K2為快速晶閘管組成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)，是為實(shí)現(xiàn)負(fù)載不間斷供電而設(shè)置的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。圖2-4 逆變器設(shè)計(jì)方案2.5 旁路電源設(shè)計(jì)方案旁路電源是UPS不間斷電源不可缺少的部分，它分為靜態(tài)旁路電源和維修旁路電源。靜態(tài)旁路是指利用靜態(tài)開(kāi)關(guān)(一對(duì)反并聯(lián)的快速晶閘管組成)來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器供電和旁路供電之間的同步切換。因?yàn)榭焖倮^電器的動(dòng)作時(shí)間至少為幾毫秒，不能滿(mǎn)足不間斷供電的要求，而靜態(tài)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間僅為數(shù)十微秒，因此

32、可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。維修旁路電源是為電源裝置檢修、維修時(shí)的備用電源。旁路電源一般取自市電電網(wǎng)。本UPS旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2-5所示，圖中只畫(huà)出了一相的電路示意圖。圖2-5 UPS旁路電源設(shè)計(jì)方案第三章 整流/充電器的設(shè)計(jì)整流/充電器在UPS交流不間斷電源裝置中的作用主要有兩個(gè)：一是將交流電整流為直流電，經(jīng)濾波供給逆變器；二是給蓄電池提供充電電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。整流器電路形式有很多，典型整流電路有：三相或單相橋式不可控整流電路、三相或單相橋式半控整流電路、三相或單相橋式全控整流電路、帶平衡電抗器的12脈波整流電路等。大功率UPS不間斷電源的整流/充電電路一般選用可控整流電路，這是基于整

33、流器和充電器合為一體的設(shè)計(jì)考慮。具體來(lái)說(shuō)：(1)通常希望逆變器能得到一個(gè)電壓穩(wěn)定的電源。但是由于種種因素的影響，比如市電電壓變化頻繁，有時(shí)低于380V(三相交流電輸入)，甚至低達(dá)340V；有時(shí)高于380V，甚至高達(dá)420V等等，如果采用不可控整流電路，將使得整流器的直流輸出不能保持穩(wěn)定。只有采用可控整流電路，同時(shí)采用必要的負(fù)反饋環(huán)節(jié)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)脈沖相位，才能保證整流器的直流輸出電壓的穩(wěn)定。(2)蓄電池充電電壓必須能夠調(diào)節(jié)。不可控整流電路不能提供蓄電池通常狀態(tài)下的浮充電壓和過(guò)放電以后的均充電壓(均衡充電電壓)兩種不同大小的電壓。因此采用可控整流電路比較好。在可控整流電路中，典型應(yīng)用電路是三相橋式

34、全控整流電路。3.1 整流/充電器主回路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的整流/充電電路采用常見(jiàn)的三相橋式全控整流電路。其電路的基本原理這里不再詳細(xì)說(shuō)明。原理電路如下，圖中KPl6為晶閘管。圖3-1 三相橋式全控整流電路原理圖3.1.1 整流變壓器的設(shè)計(jì)由前面所述可知，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)和快速熔斷器后，接在一星形/三角形接法的變壓器的原邊。此變壓器屬整流變壓器，不同于一般的電力變壓器。1.整流變壓器在此設(shè)計(jì)中的作用整流變壓器在設(shè)計(jì)中的作用有三：(1)它可擴(kuò)大整流電路中晶閘管控制角的調(diào)節(jié)范圍，提高調(diào)節(jié)性能。(2)起隔離作用。它使整流電路與電網(wǎng)電源隔離開(kāi)來(lái)，使它們之間不發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網(wǎng)對(duì)整流/充電

35、電路的干擾和影響，同時(shí)也減少了整流/充電電路對(duì)電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的干擾。(3)降壓作用。整流變壓器將電網(wǎng)電壓變換成與負(fù)載相匹配的電壓，這有助于提高晶閘管整流器的性能。一般清況下，整流器的副邊次級(jí)電壓低于原邊初級(jí)電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。它的接線(xiàn)方式要與同步變壓器接線(xiàn)相配合，以滿(mǎn)足主回路電路與同步電壓之間的相位關(guān)系。2.整流變壓器在設(shè)計(jì)上與一般電力變壓器的區(qū)別整流變壓器在設(shè)計(jì)上不同于一般的電力變壓器：(1)接線(xiàn)方式上有嚴(yán)格要求。初級(jí)和次級(jí)繞組中要有一個(gè)接成三角形，一般以初級(jí)繞組接成三角形的居多，這樣可避免供電電壓波形的畸變；也可避免負(fù)載發(fā)生不平衡時(shí)出現(xiàn)中心點(diǎn)浮動(dòng)。在三相四線(xiàn)制接法的

36、輸入中，整流變壓器只有接成星形/三角形。本設(shè)計(jì)中就屬這種情況。(2)要求具有較高的絕緣強(qiáng)度。這是因?yàn)榫чl管整流電路發(fā)生過(guò)電壓的機(jī)會(huì)比較多。(3)要求適當(dāng)增大變壓器的導(dǎo)線(xiàn)截面積，這是因?yàn)榫чl管整流電路較易發(fā)生短路而產(chǎn)生過(guò)電流?；?2)(3)的原因，使得整流變壓器的體積比同等容量的電力變壓器體積要大。3.容量和變比設(shè)計(jì)根據(jù)本設(shè)計(jì)中UPS的功率(20KVA)整流變壓器的容量可選1.5倍UPS額定功率即30KVA，變比要根據(jù)蓄電池的電壓而定。3.1.2 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設(shè)計(jì)在圖3-1中，P1、N1兩端的整流輸出為脈動(dòng)的直流電壓，在這種直流電壓中還含有較多的交流成分，它不利于逆變器的工作

37、和蓄電池的充電，所以不能直接送往逆變器和為蓄電池充電，必須經(jīng)過(guò)濾波。1.濾波電抗器LL的作用可歸結(jié)為以下三個(gè)方面：(1)平波作用。整流電壓里含有對(duì)逆變器和蓄電池不利的交流成分，利用電抗器既能儲(chǔ)存能量又能放出能量的特點(diǎn)，在電路中接入電抗器L減小整流電壓脈動(dòng)程度，起到平波作用。(2)續(xù)流作用。當(dāng)整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時(shí)間內(nèi)橋式整流電路中各元件均不導(dǎo)通，此時(shí)整流器輸出電壓為零，輸出電壓的波形出現(xiàn)了不連續(xù)，輸出電流也就出現(xiàn)了不連續(xù)。這必將影響逆變器和蓄電池的供電連續(xù)勝。如果接入了電抗器L，在這段時(shí)間內(nèi)電抗器將通過(guò)續(xù)流二極管所提供的通路，把它儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，供給逆變器和蓄電池，形

38、成導(dǎo)通回路，保證輸出電流的連續(xù)性。(3)限制短路電流上升率的作用。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，直流回路中的電流將猛然增大，危及晶閘管和硅整流元件如整流二極管。利用電抗器上電流不能突變的特點(diǎn)，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升率，從而起動(dòng)保護(hù)整流器的作用。2.濾波電容C電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容，起平滑濾波作用。3.L和C的選用設(shè)計(jì)直流濾波器所用L和C的大小根據(jù)整流/充電器的容量合理計(jì)算，這里我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)取值。L-考慮電感量大小和電流，選1mH/600A。C-考慮大小和耐壓值，選6800uF/450V兩片。3.1.3 主回路電路綜上所述，本整流/充電器的主回路電路如圖3-2所示。在圖3-

39、2主回路電路中。圖中各元件說(shuō)明如下：圖3-2 整流/充電器的主回路電路圖KK-空氣開(kāi)關(guān);ZB-整流變壓器，接法為Y/11；RD1-3-整流輸入端保護(hù)熔斷器；RD4-整流輸出端保護(hù)熔斷器；YR1-3-整流輸入端壓敏電阻保護(hù)；YR4-整流輸出端壓敏電阻保護(hù)；S1-6-整流器件：晶閘管SCR；RI-6-晶閘管阻容吸收電阻；Cl-6-晶閘管阻容吸收電容；LEM-霍爾電流傳感器；L-濾波電感；C7, C8-兩個(gè)完全相同的濾波電解電容；BI-蓄電池組；A-直流電流表；V-直流電壓表。在圖3-2中，整流器件晶閘管SCR的參數(shù)應(yīng)根據(jù)UPS的容量和蓄電池的端電壓大小來(lái)選取。其阻容吸收電路的電阻和電容可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公

40、式選取。3.2 整流/充電器控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好整流/充電器的主回路電路后，進(jìn)一步的工作就是設(shè)計(jì)控制電路?？刂齐娐肥钦鞒潆娖鞯暮诵?，因?yàn)闊o(wú)論是整流直流輸出作為逆變器的輸入的控制，還是給蓄電池充、放電的控制，必須保證控制可靠、穩(wěn)定、有序。因此對(duì)控制電路的要求如下：(1)晶閘管的觸發(fā)控制電路要輸出與主回路電路相同步的觸發(fā)脈沖；(2)能調(diào)節(jié)整流輸出大小，以滿(mǎn)足對(duì)蓄電池充電的要求；(3)保證整流輸出的穩(wěn)定，以利于逆變器和蓄電池的工作；(4)整流器的起動(dòng)要平穩(wěn)，因而要控制起動(dòng)速度，限制起動(dòng)電流；(5)抑制過(guò)載電流，要有限流保護(hù)和過(guò)、欠壓保護(hù)。根據(jù)上述要求，并緊密聯(lián)系當(dāng)前國(guó)內(nèi)外保護(hù)、控制領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)，設(shè)計(jì)了

41、以微機(jī)控制為核心的整流/充電控制系統(tǒng)。3.2.1 微處理器的選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最為普遍的是8位單片機(jī)，但是在一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機(jī)。在本設(shè)計(jì)中我選用MCS-96系列單片機(jī)，它除了適用于一般的信號(hào)處理系統(tǒng)外，對(duì)于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)等以及高級(jí)智能系統(tǒng)如高級(jí)智能儀器、高性能的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備控制器、辦公自動(dòng)化設(shè)備控制器等都有其特有的優(yōu)勢(shì)。它在下列幾個(gè)方面顯示出其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)：(1)CPU的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)甚至512字節(jié)的寄存

42、器，消除了一般CPU結(jié)構(gòu)中的累加器如51系列單片機(jī)等的瓶頸效應(yīng)，大大提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。(2)256或512字節(jié)寄存器中除了前端少量專(zhuān)用寄存器外，其余字節(jié)均為通用寄存器。這樣多數(shù)量的通用寄存器就有可能為各中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專(zhuān)門(mén)的寄存器，免除了指定服務(wù)過(guò)程中保護(hù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開(kāi)銷(xiāo)，并大大方便了程序的設(shè)計(jì)。(3)指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高?？梢詫?duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作；還有符號(hào)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)規(guī)格化(用于浮點(diǎn)運(yùn)算)等指令。另外，三操作數(shù)指令大大提高了指令效率。(4)在8OC196KC及其以后的芯片中，增加了一個(gè)外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS,專(zhuān)門(mén)用于處理外設(shè)中斷事

43、務(wù)，它和普通中斷服務(wù)過(guò)程相比，PTS服務(wù)大大減少了CPU的軟件開(kāi)銷(xiāo)。(5)內(nèi)部帶有四路以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，8OC196MC具有多達(dá)13路A/D，而且KB以后的芯片轉(zhuǎn)換位數(shù)8位和10位可選。A/D轉(zhuǎn)換器集成于芯片內(nèi)部，大大增強(qiáng)了信號(hào)采樣電路的抗干擾能力，提高了電路的可靠性。(6)具有高速輸入口HSI和高速輸出口HSO或者比較/捕獲 COMPARE/CAPCOMP，它們對(duì)于處理與時(shí)間有關(guān)的事件以及某些特殊輸出提供了極大的方便。當(dāng)然，MCS-96 系列單片機(jī)具有一般單片機(jī)所具有的全部外設(shè)裝置：振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出口、全雙工異步或同步串行輸入/輸出口、監(jiān)視定時(shí)器(

44、Watchdog)、片選輸出等。由此可看出，MCS-96系列16位單片機(jī)具有更豐富的軟、硬件資源，具有更高的性能，它更適用于一些較復(fù)雜的系統(tǒng)中?；谝陨显颍菊n題中整流/充電器的控制電路采用了以80C196KC單片機(jī)為主控的微機(jī)控制系統(tǒng)。它主要由主控、測(cè)量與采集、脈沖輸出與同步、信號(hào)輸出以及電源等部分組成。控制電路組成框圖如圖3-3。80C196單片機(jī)主控系統(tǒng)小型開(kāi)關(guān)電源模塊測(cè) 量同 步給 定脈沖輸出保護(hù)出口信號(hào)輸出+24V（Vp）GND-15V+15VVSS+5V（VCC）AC220V或DC220V圖3-3 整流/充電器的控制電路組成框圖3.2.2 整流/充電器的微機(jī)控制系統(tǒng)1.整流/充電

45、器的控制原理在UPS不間斷電源中的整流器，除了供給逆變器直流輸入外，還須完成對(duì)蓄電池的常規(guī)充電、快速充電、浮充電的功能。因此整流器的輸出是隨著UPS不間斷電源工作狀態(tài)的變化而變化。下面具體說(shuō)明如何調(diào)節(jié)整流電路的輸出。在圖3-1中，在接上負(fù)載后的整流輸出的大小為: （3-1）其中，為整流器輸出的直流電源平均值；為整流變壓器初級(jí)線(xiàn)電壓；為整流變壓器次級(jí)相電壓；為晶閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對(duì)應(yīng)于觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻距自然換相點(diǎn)的電角度，又稱(chēng)為延遲角。從公式3-1可看出，調(diào)節(jié)晶閘管的控制角即可調(diào)節(jié)整流輸出。整流器提供給逆變器的直流輸入必須是穩(wěn)定的，這樣才能有利于逆變器的正常工作，為此在設(shè)計(jì)中

46、引入了電壓負(fù)反饋并采用了PID控制算法。即通過(guò)電壓傳感器對(duì)整流輸出電壓進(jìn)行取樣，與期望值進(jìn)行比較，根據(jù)差值進(jìn)行PID控制，從而實(shí)現(xiàn)整流輸出的穩(wěn)定。2.主控電路設(shè)計(jì)基于80C196單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，整流/充電器主控電路以80C196芯片為核心，只擴(kuò)展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373，復(fù)位電路、參考電壓電路及振蕩電路。程序存貯器的片選信號(hào)直接取自80C196的地址線(xiàn)AD15，地址范圍為:2000H-3FFFH。復(fù)位電路見(jiàn)圖3-4。工作原理是:復(fù)位電路接收到硬件或軟件復(fù)位信息(上電復(fù)位、監(jiān)視定時(shí)器溢出、執(zhí)行復(fù)位指RST)后，都會(huì)使單片機(jī)RESET引腳的電位變低。圖3-4所

47、示的復(fù)位電路具有上電復(fù)位功能。上電時(shí)通過(guò)R, C通路向電容C充電使單片機(jī)RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復(fù)位電容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復(fù)位。圖中的二極管D為復(fù)位電容C在掉電的情況下提供了一條迅速放電的通路，這樣可保證芯片的反復(fù)上電的情況下可靠地復(fù)位。圖3-4 80C196單片機(jī)復(fù)位電路參考電壓電路是為采樣A/D轉(zhuǎn)換電路提供參考基準(zhǔn)電壓。通過(guò)電阻降壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得。基準(zhǔn)電壓源采用LM336-5.OV，它是一種新型帶隙基準(zhǔn)電壓源，具有溫度系數(shù)小、動(dòng)態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用電路見(jiàn)圖3-5。其中振蕩電路晶振頻率采用8MHZ,振蕩電容選33pF。圖3-5

48、 參考電壓電路3.脈沖輸出與同步電路設(shè)計(jì)如圖3-1中，為了保證整流橋在合閘上電后共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)施加觸發(fā)脈沖。為此可有兩種觸發(fā)方式：寬脈沖觸發(fā)方式和雙窄脈沖觸發(fā)方式。寬脈沖觸發(fā)是指使每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度(一般取-)；雙窄脈沖觸發(fā)是指在觸發(fā)某一號(hào)晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效替代大于的寬脈沖。雙窄脈沖觸發(fā)方式中，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔，這種觸發(fā)方式雖然比較復(fù)雜，但它可減少觸發(fā)電路的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心體積。寬脈沖觸發(fā)方式中雖然脈沖次數(shù)

49、減少一半，但是為了不讓脈沖變壓器飽和，其鐵心體積必然做得大些，繞組匝數(shù)多些，因而漏感增大，導(dǎo)致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組可改變這個(gè)情況，但又使裝置復(fù)雜化。因此，在本整流器觸發(fā)控制設(shè)計(jì)中，采用了雙窄脈沖強(qiáng)觸發(fā)方式。脈沖來(lái)自單片機(jī)8OC196的高速輸出口(通過(guò)編程產(chǎn)生六路觸發(fā)脈沖波)。80C196單片機(jī)的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供了極大的方便。HSO應(yīng)用于按程序設(shè)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件，要求CPU的開(kāi)銷(xiāo)極少，因此速度塊。利用HSO可產(chǎn)生寬度和周期符合晶閘管觸發(fā)要求的脈沖。方法即是通過(guò)設(shè)定HSO.x的正跳和負(fù)跳時(shí)間。利用80C196單片機(jī)的產(chǎn)生六路晶閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電

50、路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的規(guī)律，在一周期內(nèi)編程產(chǎn)生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖，再經(jīng)功率放大電路、隔離電路以及脈沖變壓器得到符合晶閘管觸發(fā)要求的觸發(fā)脈沖。晶閘管觸發(fā)脈沖必須是具有一定寬度、幅值和陡沿的脈沖信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，觸發(fā)脈沖寬度為400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶閘管觸發(fā)電流一般為mA級(jí)，而單片機(jī)輸出口驅(qū)動(dòng)電流只有幾百u(mài)A，因此必須進(jìn)行功率放大，本設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的MC1413芯片。經(jīng)驅(qū)動(dòng)后的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)幾百mA。采用光電隔離是避免單片機(jī)弱電工作電路不受主回路強(qiáng)電電路的干擾。采用脈沖變壓器是基于匹配晶閘管門(mén)極觸發(fā)電壓的考慮。脈沖輸出電路如圖3-6所示。本節(jié)一開(kāi)始，在控制電路要

51、求中就提出晶閘管的觸發(fā)脈沖必須與主回路電路相同步，因此要設(shè)計(jì)同步電路以保證觸發(fā)脈沖與主回路的同步。同步電路取自主回路三相輸入的A相，它經(jīng)濾波、比較產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，見(jiàn)圖3-7所示。圖3-6 脈沖輸出電路圖3-7 同步電路4.測(cè)量與信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)信號(hào)采集與測(cè)量包括開(kāi)關(guān)量和模擬量的采集和測(cè)量。信號(hào)采集是針對(duì)80C196 單片機(jī)而言的，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的顯示及保護(hù)等功能，必須有采集計(jì)算電路。利用80C196單片機(jī)的8路10位A/D 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及CPU的計(jì)算處理功能，可方便地處理測(cè)量結(jié)果和保護(hù)整定。但是，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)必須是經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)，它要求符合以下條件：(1)信號(hào)必須是非負(fù)的，而且幅值不能

52、超過(guò)5V；(2)進(jìn)入單片機(jī)輸入口的信號(hào)是電壓信號(hào)；(3)輸入信號(hào)不能干擾單片機(jī)的正常工作。因此，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚怼?duì)于電信號(hào)有電壓和電流信號(hào)，在進(jìn)入單片機(jī)之前電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用電阻即可實(shí)現(xiàn)；對(duì)于高壓、交變信號(hào)要轉(zhuǎn)換成低壓非負(fù)信號(hào)才能進(jìn)入單片機(jī)。 模擬電壓信號(hào)有交流電壓信號(hào)和直流電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)單片機(jī)的采集方法有交流采集和直流采集。不管哪種采集方法，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)都必須符合上面提出的三個(gè)要求。因此，對(duì)于交流信號(hào)，還要考慮將交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換為非負(fù)信號(hào)的問(wèn)題。在本整流/充電器的設(shè)計(jì)中，采用直流采樣。交流輸入電壓的過(guò)、欠壓保護(hù)均通過(guò)整流后的整流輸出值進(jìn)行整定保護(hù)。因此本設(shè)計(jì)

53、中模擬采集量包括整流輸出電壓和電流。它們是通過(guò)霍爾電壓、電流傳感器傳送來(lái)的，它們有降壓、隔離的功能。從傳感器傳送來(lái)的信號(hào)因含有諧波等干擾信號(hào)，不能直接進(jìn)入單片機(jī)，須經(jīng)過(guò)濾波、緩沖等環(huán)節(jié)。濾波采用R、 C濾波，緩沖采用電壓跟隨器，如圖3-8所示。圖3-8 直流采樣電路5.信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)信號(hào)輸出包括狀態(tài)信號(hào)輸出如開(kāi)關(guān)量的輸出、指示燈的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸出有保護(hù)繼電器、光字牌、調(diào)壓開(kāi)關(guān)等。與開(kāi)關(guān)量的輸入類(lèi)似，開(kāi)關(guān)量的輸出要有光電隔離、驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)。開(kāi)關(guān)量輸出的典型電路見(jiàn)圖3-9。圖3-9 開(kāi)關(guān)量輸出電路指示燈是利用發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與熄滅兩種二選狀態(tài)來(lái)指示裝置各部分的工作正常與否，如Vcc、Vp、交流或直流輸入電源的有無(wú)。裝置的過(guò)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、同步保護(hù)是通過(guò)指示燈和繼電器同時(shí)進(jìn)行的，一方面指示故障類(lèi)型，另一方面保護(hù)繼電器動(dòng)作，保護(hù)裝置。6.工作電源設(shè)計(jì)裝置的工作電源對(duì)整個(gè)裝置工作的重要性是不言而喻的，因?yàn)橐坏┕ぷ麟娫闯霈F(xiàn)故障，整個(gè)裝置就陷入癱瘓狀態(tài)，正常工作就無(wú)從談起。因此工作電源必須可靠、精確。本整流/充電器的工作電源設(shè)計(jì)采用以小型開(kāi)關(guān)電源模塊為中心的設(shè)計(jì)方案。此小型開(kāi)關(guān)電源模塊可輸出+5V(Vss), +15V、-15V、 +24V(GND)等幾種裝置必須的工作電壓。它的輸入為交流220V或直流220V。基于整個(gè)裝置控制電路工作功率的考