湖南工程學院UPS不間斷電源課程設計

1、 課 程 設 計課程名稱 電力電子技術 課題名稱 在線式UPS設計 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師 20XX年 X月 XX 日湖南工程學院課 程 設 計 任 務 書課程名稱 電力電子技術 題 目 在線式UPS設計 專業(yè)班級 電 氣 工 程 學生姓名 學號 指導老師 審 批 任務書下達日期 20XX年X月30日設計完成日期 20XX年X月 12 日 設計內容與設計要求一設計內容1設計出UPS電路圖。2說明UPS電路原理。二設計要求1. 給出設計原理框圖；2. 給出具體設計思路，畫出電路圖；3. 編寫設計說明書。主要設計條件1提供實驗箱；2必要的元器件和導線等；說明書格式1. 課程設計封

2、面；2. 任務書；3. 說明書目錄；4. 設計總體思路，基本原理和框圖；5. 電路設計；6. 編寫設計說明書；7. 總結與體會；8. 參考文獻；9. 電路圖；10. 評分表；11. 空白尾頁。進度安排十五周星期一：下達設計任務書，介紹課題內容與要求；十五周星期一十五周星期三：查找資料，確定設計方案，畫出草圖，自取課題名稱；十五周星期四，星期五：電路設計，畫圖；十六周星期一上午星期二下午：掌握電路原理，打印出圖紙； 十六周星期三：確定課題名稱，書寫設計報告；十六周星期四：書寫設計報告；十六周星期五：答辯。參考文獻1王兆安，黃俊主編，電力電子技術，機械工業(yè)出版社，20002薛永毅，王淑英，何希才，

3、新型電源電路應用實例，電子工業(yè)出版社，20013. 陳汝全，電子技術常用器件應用手冊，機械工業(yè)出版社，19984. 錢希森，小型UPS原理及應用，科學出版社，20005. 張乃國，電源技術，中國電力出版社，19986. 李成章，現代電源及電路圖集，電子工業(yè)出版社，20017. 張乃國，UPS供電系統(tǒng)應用手冊，電子工業(yè)出版社，20038. 陳治明，電力電子器件，機械工業(yè)出版社，19929. 王其英，何春華編著，新型UPS工作原理與實用技術及選購指南，2006 說明書目錄一、 UPS總結構框圖7二、 單元電路設計 7 2.1降壓并濾波 82.2整流電路 82.3穩(wěn)壓電路給蓄電池充電92.4、逆變器

4、及逆變電路9逆變器采用正弦波PWM逆變器方式102.4.2 逆變電路112.5斬波電路信號的產生122.6變壓器變壓并濾波輸出132.7 UPS切換開關14三、課程設計總結及心得體會15四、參考文獻17五、總體電路圖18六、課程設計評分表19一、 UPS總結構框圖：UPS結構圖如下圖所示，為在線式UPS的原理框圖，其基本原理是，當市電正常時，從輸入端輸入220V電壓，經過變壓器將電壓變小，在濾去雜波，整流成直流電壓，經過斬波和穩(wěn)壓給蓄電池充電，以保證蓄電池充足的電量，再經過PWM逆變電路將直流變?yōu)榻涣?，經過升壓變壓器變?yōu)樗枰碾妷?，在用交流濾波濾去雜波。一旦市電發(fā)生變化或者停電，就由蓄電池工

5、作，代替整流器輸出直流電，經逆變成恒壓恒頻的交流，因此供電不受市電停電的影響。在線式UPS無論市電是否正常，其功率流程都是 “市電濾波一整流濾波(掉電時為電池)-逆變器-靜態(tài)開關-輸出”。只有當逆變器發(fā)生故障或過負荷時,才通過靜態(tài)轉換開關切換到市電旁路，其功率流程是 “市電-靜態(tài)開關-輸出”。有的用戶還備有柴油發(fā)電機，可以在市電停電5-10秒之內投入 到UPS電源的輸入端，可以在長時間停電的情況下向用戶提供高質量的正弦波 電源。UPS應包含交流濾波器，整流器，斬波器，穩(wěn)壓器，逆變器等等器件和線路。 圖1、UPS結構原理圖二、 單元電路設計： 2.1降壓并濾波 圖如下，從電網上輸入220V交流電

6、，經過變壓器將電壓降低，再經過交流濾波器L5，C10把雜波濾去。 圖2 變壓器與交流濾波2.2整流電路 變壓器T1交流電輸入，經過整流電路將電壓轉換成直流給蓄電池充電，采用升壓斬波方式，由于整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯一個電感L1，濾除電流的高次諧波，并聯一個電容C1濾除電壓的高次諧波），以減小紋波電路，如圖3所示，這是一種能夠抑制輸入高次諧波干擾及改善功率因子的電路，采用PWM控制方式，由SG3525的管腳1跟蹤控制，采用這種控制方式，能使輸入電流為正弦波，而輸入功率因子接近于1.由圖可知，經二極管整流橋整流成直流。Q1

7、導通時，電路C1放電，電感L1儲存能量，Q1關斷后，電感釋放能量，給電容充電及給負載提供能量。同時，整流電路前設置個熔斷器可以有效保護電路及其元器件不被損壞。圖3整流與斬波電路2.3穩(wěn)壓電路給蓄電池充電 如下圖，斬波出來的電進入LM137后進行穩(wěn)壓，LM137的接地管腳連一個三極管，輸出端3連兩個電阻用來保護電路，后直接接二極管給電池充電，以連續(xù)的供給電流。 圖4 穩(wěn)壓充電電路2.4、逆變器及逆變電路2.4.1 逆變器采用正弦波PWM逆變器方式圖5所示為正弦波單相全橋逆變器電路。各個IGBT的柵極信號為180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的柵極信號互補，V3與V4柵極信號互補，控制方式采

8、用三角波PWM方式，但UPS負載一般為電容輸入型，因輸出電流峰值高，使輸出電壓波形畸變，為此要采取相應措施。目前采取措施是通過提高載波頻率，加快控制響應，并應用瞬時波形控制方式使輸出電壓接近正弦波。圖5中直流側經逆變器后，再接變壓器T2的一次側線圈，由變壓器二次側線圈輸出。 圖5 正弦波逆變器電路2.4.2 逆變電路SG3524為逆變器的核心電路如圖6所示：逆變頻率由R17和C7以及SG3524片內振蕩器決定。SG3524的11和14腳的驅動輸出由9腳的高電位決定。逆變電路工作后，在整流和逆變輸出成正比的電壓，調節(jié)R8的大小，C15濾波，回饋回SG3524的1腳，作為比較電壓同2腳的基準電壓進

9、行比較，改變11和14腳輸出波形的占空比，使逆變器輸出的電壓穩(wěn)定在220V。 逆變原理分析：IGBT的G極觸發(fā)脈沖由SG3524的11，14腳提供。T2，T5同時觸發(fā)，T3，T4同時觸發(fā)。當T2，T5觸發(fā)時，交流輸出電壓上正下負；T3，T4觸發(fā)時，交流輸出電壓上負下正。當T2，T5關斷后，由于有電感存在，電流通過D7,D10續(xù)流，當T3,T4關斷后，由,D8,D9來實現續(xù)流。電路中的電容C5和電感L2不僅能限制電壓、電流的躍變，還能為阻感負載提供無功能量。SG3524的基準源屬于常規(guī)串聯式直流穩(wěn)壓電源，它由集成塊內部的諧波發(fā)生器，PWM比較器等組件向外提供5V的工作電壓。由振蕩器先產生0.6V

10、3.5V的鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓，送至觸發(fā)器、或非門，并由管腳3輸出。SG3524的工作原理：開關電源輸出電壓經取樣處理后送至放大器的反向輸入端，與基準電壓比較后，將產生的誤差電壓送到PWM比較器的一個輸入端，另一端接至鋸齒波發(fā)生器，由此可控制PWM的脈寬調制信號，最后依次通過或非門HF1,HF2功率放大器VQ1,VQ2輸出。 圖6 SG3524逆變電路2.5斬波電路信號的產生此電路主要用來驅動IGBT斬波。產生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產生PWM的專用芯片、單片機、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的

11、連接幾個電阻電容，就能產生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調電阻就能實現PWM控制。為了提高安全性，該芯片內部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經過光電耦合之后才送至驅動電路。其電路圖如下圖 7所示： 圖 7 斬波IGBT驅動電路工作原理：通過R12、R13、C8結合SG3525產生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調節(jié)R15可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U4，光耦

12、后通過驅動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。2.6變壓器變壓并濾波輸出經過逆變后的交流電因為沒有達到需求的電壓，在經過變壓器T2的變壓，輸出的交流電高次諧波量較大，于是再采用一個交流濾波器進行濾波，使輸出的交流電穩(wěn)定于所需電能。 圖8 變壓濾波2.7 UPS切換開關 UPS的切換開關是控制UPS電源和旁路電源供電的一種交流開關，當市電正常工作，主電路都應從整流-斬波-逆變中流過；當市電異常或停電，主電路由蓄電池代替整流開始工作，只有當逆變器發(fā)生異?；蛘咭M行電路維修時開關才向旁路導通。這個切換開關由電

13、磁繼電器構成。 此繼電器由逆變輸出交流電供電，電磁開關將應電磁力打到SB2，此時由整流-斬波-逆變電路供電；當逆變電路出現故障時，電流將斷開，繼電器的電磁鐵將不能產生電磁力，此時開關將自動打到SB1，這是由市電直接給負載供電；當要對電路進行檢修時，只要打開開關S1即可讓電磁開關打到SB1。 圖9 UPS切換開關三、課程設計總結及心得體會電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主

14、要用于電力變換，而電力變換常分為四大類：交流變交流、直流變交流、直流變直流、交流變交流。交流變直流叫整流，直流變交流為逆變。具體來講，變流技術則是電力電子技術的核心。電力電子技術的應用范圍已經深入到我們呢的日常生活中去了，其中UPS不間斷電源就是其中的重要應用范圍。此次電力電子課程設計中，對UPS電源的設計就是本次設計的主要內容。隨著UPS的廣泛使用，在現代社會中的重要性越來越強，使用范圍越來越廣，目前，UPS在電力電子產品中已占市場相當大的份額，所以這次課程設計對我來說具有非常的實際意義，能從中讓我學習許多先進的知識和理論，將所學的知識進行升華，這將有利于我今后的工作。UPS不間斷電源有許多

15、實現方案，但在此次設計中，我采用的是適用于小功率的在線式不間斷電源，為了實現其功能，我首先想到的就是利用一個整流電路開始，在實際設計過程中，通過聯系實際生活中UPS必須解決的相關問題，突然發(fā)現自己想漏了許多地方，比如在市電掉線的情況下也要保證穩(wěn)壓電源的有效輸出，必須要有很好的充電性能和充電回路，為了穩(wěn)定充電電壓，我專門設計了穩(wěn)壓電路，以保證充電的可靠性。整流過程我采用的升壓斬波式電路實現；在升壓斬波電路中，為了穩(wěn)定控制斬波電路中IGBT，我專門用SG3525芯片與光電耦合器來實現控制；逆變電路由SG3524逆變電路實現，采用由三角波PWM控制方式的正弦波逆變器；為實現由市電供電和逆變器供電之間

16、的轉換，必須要有一個轉換控制電路來實現。此次設計最讓我領悟到了光學知識，光會做題是沒有用的，也沒有完全體現學習知識的意義，知識在于實際應用，實踐是檢驗真理的唯一標準。雖然這學期電力電子技術這門課我們剛上完，所以對這次課程設計來說還算是趁熱打鐵，我將我所學的知識通過這次課程設計得到了升華。但是在知識的實際應用中我不斷發(fā)現了自己的不足，通過這次設計，讓我全面系統(tǒng)的復習了電力電子技術這門學科，也使我對其在實際生活中的應用有了更深的了解；為了完成設計，我必須查閱許多相關資料，這也使我增長了知識面，學習到了教材書上很多沒有講到的內容。另外，為了實現各單元電路的設計，必須熟練應用各種軟件作出電路圖來實現相

17、應功能的模擬，這樣也讓我進一步熟悉相關軟件的操作，比如Protel99SE、EWB，Word等。最讓我感受深刻的是在不間斷電源設計中學習到了SG5324,SG5325芯片和光電耦合器的運用，這些是書上沒有寫過的，平時生活中也不一定會用到，是這次課程設計才讓我學到了這些芯片的知識，受益匪淺。像以前的課程設計一樣，此次電力電子課程設計也讓我受益頗深，領悟頗多。在此，我要感謝梁老師的精心指導，細致耐性的解答我的問題，由于梁老師正確的指導和寶貴的建議，使我這次課程設計進行的很順利，通過本次電力電子課程設計，讓我學到了許多書本之外的東西，我認為這是一次很有實際意義的課程設計，一次個人實踐能力的進一步突破

18、。我喜歡它給我?guī)淼倪@種快樂。希望在這次課程設計的基礎上能將以后的各種設計做的更好，更完善。參考文獻 1王兆安，黃俊主編，電力電子技術，機械工業(yè)出版社，20002薛永毅，王淑英，何希才，新型電源電路應用實例，電子工業(yè)出版社，20013. 陳汝全，電子技術常用器件應用手冊，機械工業(yè)出版社，19984. 錢希森，小型UPS原理及應用，科學出版社，20005. 張乃國，電源技術，中國電力出版社，19986. 李成章，現代電源及電路圖集，電子工業(yè)出版社，20017. 張乃國，UPS供電系統(tǒng)應用手冊，電子工業(yè)出版社，20038. 陳治明，電力電子器件，機械工業(yè)出版社，19929. 王其英，何春華編著，新型UPS工作原理與實用技術及選購指南，2006電氣與信