《电力电子》PC用UPS设计Word下载.docx
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4.2.3保护电路设计·
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第5章蓄电池及充电电路·
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5.1蓄电池选择·
5.2充电电路设计·
第6章系统整合·
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总结·
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参考书目·
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总电路图·
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第1章引言
UPS（全称UninterruptedPowerSupply）又称不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。
随着现代工业的发展，供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电设备的启动和停止，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影响到电网的供电质量。
由于以上因素的影响，可能会导致接在电网上的计算机设备，包括通信﹑医疗﹑金融﹑武器控制等精密的仪器设备发生失控﹑丢失数据﹑停机﹑损坏等严重后果，直接影响用户的正常工作，造成严重的经济损失。
随着现代网络技术和信息产业的进一步发展，供电中断所带来的损失的也变的越来越严重。
UPS就是为了解决供电系统存在的问题应运而生的，至今已经历了几十年的发展历程。
在中国，大城市停电的次数平均为0.5次/月，中等城市为2次/月，小城市或村镇为4次/月。
电网存在至少九种问题：
断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰；
据IDC统计，全部电脑故障的45%是由电源问题引起的，当市电发生异常，将造成计算机死机，甚至造成硬件故障，到时维修费将不可预期；
硬件的故障可花钱消灾，但是存在硬盘中的资料呢？
因此从改善电源质量的角度来说给电脑配备一台UPS是十分必要的。
为此我设计了一套专供PC机使用的UPS设备。
第2章系统总体设计
2.1系统要求
PC机的额定输入为220V50HZ的交流电，功率一般在300～400W之间。
由于电脑本身有性能优越的电源进行稳压处理，所以本设计可以放低对电压稳定性的要求，主要强调频率的稳定。
本设计的设计要求如下：
输入电压：
220V
输入频率：
50Hz
输出电压：
输出频率：
输出功率：
0.5KW左右
2.2系统框图设计
UPS分为在线式和后备式。
后备式是当市电正常时，UPS不工作，只有当市电出现故障时，才通过转换开关转换到UPS供电。
但是转换开关有一定的动作时间，而电脑所能承受的转化开关的动作时间是极其小的，所以本设计采用在线式UPS。
将市电通过降压后，经过整流，再经过滤波，一方面通过充电器给蓄电池充电，另一方面通过逆变电路进行逆变，再经升压变压器升压后供给电脑。
当逆变器的输入电压低于蓄电池的充电电压时，蓄电池放电供给逆变电路，相当于对市电电能的补偿作用。
系统结构框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
第3章整流部分设计
整流是将交流电变成直流电的过程。
本设计中，整流电路将降压变压器输出的电流比较大的交流电转换成直流电。
由于不强调对电压的控制，所以本整流电路采用不可控全波整流的方式，用二极管整流桥进行整流。
整流之后的直流电先经过滤波电容滤波，再用稳压电路进行简单的稳压，限制过高的电压。
整流电路图如图3-1所示。
图3-1整流电路图
设计变压器的二次侧电压为15V，而变压器一次侧的电压为220V，电流大约为2A，所以二次侧的电流大约为29A。
因此要选用最大允许通过电流为30A，耐压值大于15V的整流二极管。
MBRF3045CT型整流二极管，最大允许通过电流为30A，耐压值为45V，符合要求。
滤波电容C1选用标称值为100uF/50V的电解电容器。
与稳压管串联的分压电阻R1用阻值为5K的电阻。
晶体管T1采用能通过大电流的GTR。
采用12V稳压管来获得基准电压信号。
电阻R2和R3遵循R2/R3=1：
4，为减小功率损耗，R2、R3的阻值应取得较大，取R2=100K、R3=400K。
根据Uo=（R2+R3）*Uref/R3可以计算得Uo=15V，输出电压被稳定在15V。
第4章逆变部分设计
4.1主电路设计
逆变是将直流电变成交流电的过程。
本设计中，逆变电路将整流电路输出直流电转换成交流电。
因为本逆变电路的输出电压波形要为正弦波，所以本逆变电路采用电流型逆变方式。
逆变电路主电路如图4-1所示。
图4-1逆变主电路
本逆变电路的原理是：
让IGBTV1和V4同时开通，此时输出电流从左向右流；
关断V1和V4后，让V2和V3开通，此时输出电流从右向左流；
关断V2和V3后，让V1和V4开通，此时输出电流又从左向右流。
如此反复就将输入的直流电转换成了输出的直流电。
考虑IGBT的规格和本电路的要求，选用STGW20NC60VD型的IGBT用于主电路，其最大允许电流为30A、耐压值为600V，符合本设计的要求。
4.2控制电路设计
控制电路在UPS中的功能主要是：
1.产生驱动IGBT模块的脉冲。
2.对IGBT模块进行瞬时保护。
根据设计要求，系统输出交流电的波形要为正弦波，因此现在需要SPWM脉宽调制信号，即用不同脉冲宽度的方波来模拟正弦波作为逆变电路的控制信号，从而使输出的交流电波形为正弦波。
因此，控制电路由SPWM信号发生电路、驱动电路和保护电路组成。
4.2.1SPWM信号发生电路设计
SPWM信号的产生是利用正弦波作为调制波对三角波载波进行调制，使三角波低于正弦波的时间段触发IGBT开通。
SPWM的生成原理及波形如图4-2所示。
SPWM的控制方式可分为单极性和双极性二种。
在传统的单极性或双极性控制方式中，开关管均工作在高频条件下，这样虽然可以得到较理想的正弦输出电压波形，但也产生了较大的开关损耗，且频率越高，损耗越大。
由于采用正弦波调制波（Us*sinωs*t）与三角波载波（幅值为Uc的正三角波，频率为ωc）相交来获得SPWM波，因此，基波频率为调制波的频率，基波幅值与调制比M（M=Us/Uc）成正比关系。
正弦逆变器常采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控制输出电压幅值。
工作时，H桥中Sl、S4在前半周期内以图4-2（b）中的SPWM信号闭合，S2、S3断开；
在后半周期内S1、S4断开，S2、S3以SPWM信号闭合。
对输出的交流电进行滤波，即可获得频率为ωs，幅值正比M与调制比M的正弦交流电。
图4-2SPWM的生成原理及波形
本设计的SPWM信号发生电路，采用以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制V1、V4和V2、V3两队IGBT。
该芯片仅需很少的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001HZ～500KHZ。
采用ICL8038产生SPWM信号的电路图如图4-3。
图4-4SPWM信号发生电路仿真的输出波形
该信号发生电路是利用U2产生正弦波调制波，利用U4产生三角波调制波，然后再对它们进行调制，从而得到我们所需要的SPWM信号。
通过该控制电路控制逆变器可以方便的调节逆变器的输出的电压和频率。
我们可以通过调节电位计RV1和RV4来改变调制比，从而改变逆变器的输出电压。
我们也可以通过调节电位计RV2来改变发生的正弦波调制波的频率，进而调节逆变器的输出频率。
4.2.2驱动电路设计
IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，本设计就是采用了三菱公司的M57962L型混合集成驱动器。
驱动电路图如图4-5所示。
图4-5驱动电路
混合集成驱动器M57962L内部具有退饱、检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。
M57962L输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。
4.2.3保护电路设计
（1）过电流保护，利用的是混合集成驱动器M57962L检测到过电流时，会给外部电路发出故障信号。
将这一信号传送到保护短路。
当M57962L发出故障信号时，保护电路的故障指示灯亮，并在STOP端发出信号使SPWM信号发生电路停止输出信号。
保护电路图如图4-6所示。
图4-6保护电路
（2）过电压保护，采用阻容吸收装置（图4-7）由电阻、电容和二极管组成。
若逆变器输入端出现过电压，过电压首先通过D1向C1充电，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C1通过R1和IGBT模块放电，R1限制了放电电流，从而保护了IGBT模块。
图4-7阻容吸收装置
第5章蓄电池及充电电路
5.1蓄电池的选择
根据该系统的具体情况，蓄电池选择两个12V容量为20Ah的免维护电池并联可以供电一个多小时。
免维护电池的优点：
不需加液等维护，可在满充状态下运输，不需专人维护并且价格适中。
缺点：
不及时恢复性充电会损害电池，对温度较敏感，寿命不长。
本UPS是在线式的，只要市电故障解除，蓄电池就会被充电恢复电能，所以避免了免维护电池不及时恢复性充电会损害电池的缺点多系统的影响。
5.2充电器电路设计
此蓄电池充电器，结构简单又具各相应的保护功能。
充电器电路如图5-1。
图5-1充电器电路图
该电路由稳压、限流部分电路组成，采用浮充方式充电。
稳压电路：
主要由U1、VT1、R1、R2和R4组成。
R2和R4检测充电器的输出电压，并向U1的R端提供反馈电压。
充电时充电器的输出电压不能超过限定值。
12V的电池限定值为14.4V，可调分流基准源TL431的导通电压Ura=2.5V，当输出电压达到14.4V时，R2的分压刚好为2.5V，当输出电压再升高，V1马上导通。
分流作用使VT1的基极电流减小，调整管VT1的分压增加，从而减小了输出电压。
限流电路：
主要由VT1、U2、R3组成。
R3用于检测充电电流，在蓄电池所存储的电量少时，充电电流较大，从而危及VT1及蓄电池的安全。
当充电电流达到10A时，R3上的压降刚好为2.5V，当电流再增大时U2马上导通，使VT1的基极电流减小，则集电极电流（充电电流）也随之减小；
当充电电流不超过10A时V2不导通，对VT1没有什么影响。
所以本设计的充电器允许的最大充电电流为10A。
根据本设计方案，蓄电池充满电时的端电压为14.4V，而市电正常时，逆变器的输入电压为15V，所以此时蓄电池不放电。
当市电出现停电或电压大幅下降导致逆变器的输入电压低于14.4V时（即低于蓄电池的端电压），此时蓄电池开始放电，逆变器的输入由蓄电池提供。
第6章系统整合
各个分模块电路设计完毕后，我们需要按照系统框图将各个模块整合起来组成一个完整的系统，明确各个节点电压等级和最后对整合后的系统的可行性进行论证。
系统正常工作时，带电压关系的系统结构框图如图6-1。
图6-1带电压关系的系统结构框图
图6-1清楚的反映了系统的工作过程和工作方式。
按照图6-1将各个模块拼凑到一起，系统将按照图示的电压关系运作起来：
市电正常时，降压变压器二次侧输出15V的交流电，再经过带滤波电容的整流电路后得到1.15*15V≈17V的直流电，经过稳压得到15V的直流电；
所得到的15V的直流电，一路通过充电器以14.4V的电压以恒压的方式给蓄电池充电，一路则供给逆变电路得到12V的交流电，再经过升压变压器二次侧得到可以直接供给电脑负载的220V的交流电。
当市电不正常以致稳压电路的输出低于14.4V时，此时市电被断开，充电器也不再能给蓄电池充电，蓄电池开始以14.4V的电压放电供给逆变器，然后在经过升压变压器得到接近于220V的交流供给电脑，以使其继续正常工作。
至此，整个PC用UPS设计可以根据最初的设计要求正常的工作。
总结
本次电力电子课程设计的课题是UPS设计，通过对UPS的学习和设计，我深入的了解了UPS，并在这两周的时间里深刻体会到了时间的宝贵和学习的重要性。
这次设计使我对以前所学的知识有了新的认识。
对我以后对待学习和工作的态度产生了深远的影响。
刚刚拿到课程设计的题目时真不知道从哪里开始动手,我们的电力电子课程主要只讲了各种电路的主电路，而最复杂的触发电路能够从教材上获取的只是却是少之又少。
前往图书馆借阅了一些UPS相关的书籍，但是毕竟书本是做不到“无微不至”的，书本上的UPS一般都是应用了一些我们完全陌生的芯片，而且都没有详细的解释，只是大概的作了叙述。
于是，我根据从书本上得到的知识，选取了较为简单的PC用UPS设计，确定了整体的方案，然后通过网络搜集了大量的资料，没有一个现成可用的设计可以作为参考，我结合自己所掌握的知识和网上查找的资料，一个功能模块一个功能模块的去设计，然后再将它们拼凑成一个整体的系统。
本次课程设计我最大的感触就是自己在相关知识上的欠缺，我们平时的学习只注重于如何去解决书本上的作业题，而忽视了如何去把书本的知识应用起来。
我们教材上的作业题都是关于主电路的输出电压、输出波形等等，但我们没有意识到如果没有控制电路的控制，谈何主电路的输出电压，但我们对控制电路却几乎是一无所知。
这主要是因为我仅仅注重书本知识的学习，没有去对书本的知识进行相关的扩展学习，没有去了解实际在应用的相关的器件、芯片等。
在以后的学习工作中，我应该从这次课程设计吸取教训，积极主动的去学习各种专业知识，避免这种“书到用时方恨少”，还要临时去学习的尴尬境地。
由于本人在知识上的欠缺，再加上时间的原因，本文所设计的PC用UPS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，没有电池过放电保护，可能影响到蓄电池的使用寿命；
系统输出电压的稳定性不是很高等....
对于不间断电源的具体知识以前没有涉及过，但是通过这次课程设计，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。
本次课程设计使我多方面的能力都有所提高，同时让我意识到平时学习的时候只是片面的认识和照搬书本上的知识，书本知识在实际应用的时候会出现很大的偏差，理论联系实际才是真正的学习之道。
此次课程设计第一次让我觉得原来课程设计也很难做，虽然这次课程设计是在跌跌撞撞中完成的，虽然这次课程设计所设计的作品并不完美，但它让我入门了全新的知识，让我改变了我的学习态度，这才是这次课程设计更重要的成绩。
在此我也要感谢老师的谆谆教诲和同学的帮助，你们是我人生最宝贵的财富。
参考书目
王兆安，黄俊《电力电子技术》（第五版）机械工业出版社
康华光《电子技术基础模拟部分》（第五版）高等教育出版社
王其英《新型UPS工作原理与实用技术》人民邮电出版社
张乃国《UPS供电系统应用手册》电子工业出版社
钱希森《小型UPS原理及应用》科学出版社
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