宿舍用后备式UPS电源电力电子技术课程设计论文.docx

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宿舍用后备式UPS电源电力电子技术课程设计论文

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

宿舍用后备式UPS电源

指导教师签字：

教师职称：

起止时间：

目录

第1章设计目的与方案论证1

1.1选题与设计目的1

1.2系统功能框图2

1.3逆变电路方案论证3

第2章硬件电路设计3

2.1PWM脉宽调制电路3

2.2整体电路与基本参数7

第3章课程设计总结9

参考文献9

第1章设计目的与方案论证

1.1选题与设计目的

UPS供电系统是电力、通信、银行等行业的必备电源，从产生到现在已有几十年的发展历程，在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化。

UPS根据主机内逆变器的工作状态可分为：

后备式、在线式及在线互动式。

他们的作用是对市电进行滤波、稳压调整，以便向负载提供更为稳定的电压，同时，通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内，一旦电力中断、电网电压或电网频率超出UPS的输入范围，可在极短的时间内开启自身的储备电源，向负载供电。

基于UPS的技术日渐成熟，同时许多重要部门对电能供应要求的提高使得UPS成为常见的供电设备，尤其是随着储能技术的发展，蓄电池容量在增大、体积在减小、寿命也明显增长使UPS电源更是如虎添翼随处可见，如：

许多重要的工业生产环节或银行等机构的服务器、计算机都是全日制工作并要求不间断供电等，都离不开UPS。

作为一名在校学生虽然与上述设备及动作过程没有亲身经历，但在学校的日常生活中也需要后备电源。

例如，笔者所在学校因出于安全等方面因素考虑，学生宿舍在晚上固定时间统一熄灯断电，使得住在宿舍同学的人身安全得到可靠的保障，但同时也给学生还来一些不便。

比如，有些同学在寝室熄灯时没能按时完成那里的网络交易或没来得及在编辑的文档，这样就造成交易失败太第二天的工和冗余。

应寝室同学的要求笔者做了一套逆变电源，学以致用，以飨同学。

1.2系统功能框图

图1系统整体框图

正常情况下，后备式UPS的逆变器处于非工作状态，电网电能通过稳压和滤波环节直接供给负载；此时，电池处于充电状态。

当电网电压超出UPS的输入范围，即非正常情况下，UPS通过转换开关切换到电池状态，后备电池开始工作，此时电池的电能通过逆变器变换成交流正弦波或方波供给负载。

　　后备式UPS采用的是抗干扰分级调压稳压技术，当市电电压正常时，它能向负载提供抗高频干扰的稳压电源，但供电质量不高，输出电压的幅度、频率随市电电压的幅度和频率而变。

正弦波输出的后备式UPS的波形失真系数在5%以内。

从市电供电到电池逆变供电的转换时间小于10ms，对一般的计算机设备不会造成影响。

　　后备式UPS的优点是产品价格低廉、运行费用低。

由于正常情况下逆变器处于非工作状态，电网电能直接供给负载，因此后备式UPS的电能转换效率很高。

电池寿命一般为3～5年。

后备式UPS的缺点在于它的转换时间较长。

由于逆变器不是经常工作（或者频繁地切换），因此容易形成单点故障。

故后备式UPS一般应用在一些非关键性的小功率设备上。

由以上叙述可知UPS只在市电停电后提供短暂的持续电能以缓冲发电机等其它设备的启动时间，通常小容量的UPS可以带额定负载3-5分钟，在这期间可将电脑资料保存或及时起动发电机续航。

在此次设计中由于要求UPS不间断供电时间较长通常为3小时左右，因此一定要考虑到系统的散热设计。

1.3逆变电路方案论证

一、采用高频变压器的开关电源变换器

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。

将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。

转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比５０Hz高很多。

所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本很低。

如果不将５０Hz变为高频那开关电源就没有意义。

开关变压器也不神，．就是一个普通的高频变压器，这就是开关电源。

   开关电源，是通过电子技术实现的，主要环节：

整流成直流电——逆变成所需电压的交流电（主要来调整电压）——再经过整流成直流电压输出。

   开关电源的结构中由于中间没有变压器和散热片，因而体积非常小。

同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。

虽然，具有电磁干扰等缺点，但现在的屏蔽技术已经非常到位。

二、采用以工他变压器为变换元件的逆变电路

在以前的大功率或小功率UPS中经常使用工频变压器，因为其工作频率低，变压器体积、重量很大，通常一台1000W的山特UPS重量达到15kg以上（不含内部蓄电池）。

变压器有涡流损耗和磁滞损耗，这导致其效率低下，蓄电池仅有的那点容量有相当一部分消耗在变压器损耗上。

这种逆变电路的电压也不容易控制。

但相比工作在高频的开关电源采用工频变压器的逆变电路线路较简单，适于业余条件下制作，运行起来比较稳定，只是变压器成本随着功率的增大而提高。

业余条件下自己制作的开关电源运行稳定度不容易做好，考虑到宿舍的防火与安全，这里选择以工频变压器为能量变换原件的UPS。

第2章硬件电路设计

2.1PWM脉宽调制电路

1PWM控制的基本原理

理论基础：

　　冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

面积等效原理：

　　分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

　　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

　　　　　　　图2用PWM波代替正弦半波

　　要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

PWM电流波：

电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：

等效直流波形

SPWM波：

等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

2PWM控制芯片SG3525及应用电路

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器，图3是SG3525内部电路。

图3SG3525内部电路

SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。

SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。

在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。

当输出晶体管开通时，R1上会有电流流过，R1上的压降将使VT1导通。

因此VT1是在SG3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于SG3525内部振荡器的频率。

当采用推挽式输出时，应采用如下结构，如图4a

VT1和VT2分别由SG3525的输出端A和输出端B输出的正向驱动电流驱动。

电阻R2和R3是限流电阻，是为了防止注入VT1和VT2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。

C1和C2是加速电容，起到加速VT1和VT2导通的作用。

由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端A和输出端B与VT1和VT2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET。

图4a3525推挽输出控制

Q1、Q2S可用常见的场效应管代替，电流在25A以上均可，如：

75N06、50N06等，耐压60V电流分别为75A和50A有足够的裕量。

相比又极型晶体三极管场效应管的输入阻抗高容易驱动，输入阻抗随频率的变化比较小；输入结电容小（反馈电容），输出端负载的变化对输入端影响小，使用时在栅极串一100欧电阻防止自激震荡。

图4b为SG3525焊板及推挽功率管实物

图4b

2.2整体电路与基本参数

一、整休电路设计

后备式UPS的主体电路如图5所示，电路可分为两部分前半部分是以SG3525脉宽调制芯片为核心的矩形波驱动电路用来驱动功率电子器件。

后半部分主要是逆变执行部分，Q1、Q2和中心抽头的工频变压器组成推挽电路，在变压器的二次侧感应出220V的准正弦波交流电。

图5整体电路

二、基本参数：

1.输入电压:

DC9.6V-DC15.5V

2.输出电压:

AC220V±10%

3.频率:

50Hz±2Hz准正弦波

4.内置容丝:

25A×1

5.低压关断:

9.6V-10V

6.过压保护:

15.5V-16V

7.低压报警:

10V-10.5V

8.空载电流:

<0.4

9.空载功率:

<6W

10.持续输出功率:

260W

11.峰值功率:

500W

三、电磁兼容与屏蔽设计

辐射EMI的抑制措施如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。

很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。

除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。

要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。

电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。

功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。

为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。

整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。

另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。

第3章课程设计总结

持续几天的课程设计结束了，从中我学到了很多东西且感悟良多,体会到了课本联系实际,学以至用,设计思想,实际动手能力都有所提高。

由于这次做的设备是为自己使用所以积极性相对更高。

通过课程设计我体会到了编程的灵活性并对它产生了浓厚的兴趣。

以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

整个设计过程中从开始有想法到最后出成品,我失败很多次也修改很多次,可谓是屡败屡战，可我并未气馁,坚持到了最后,虽然最后做出的电路板外观不如成品板,但功能毫不逊色,当制做完毕达到预期结果时顿时感到很兴奋，很有成就感。

同时也使我知道在实验室好用的系统拿到实际现场会遇到意想不到的问题，解决这样或那样问题的过程才是最锻炼耐力与能力的时刻，就像笔者平时玩音响一样，做完一套音响设备后能出声音不是最重要的，更有玩头的是后期的调度与较准过程，虽有汗水更多