kw小功率UPS的设计ups.docx

1、kw小功率UPS的设计ups毕业设计 输入电压：220V20% 输入频率：50Hz5%2 输出电压：220 输出频率：50Hz3 电压稳定度：2% 频率稳定度：0.5% 简介ups的工作原理。2 针对ups的不同拓扑结构进行比较分析。3 根据设计要求进行方案设计。4 PWM芯片和开关器件的选择及功能介绍。5 绘制各部分电路原理图，列出元件清单。摘要我设计的UPS主要分为，UPS的运行方式部分，开关电源部分和电源逆变部分。且每一部分都有其典型的控制芯片组成。该UPS不间断电源为在线式UPS电源，这种方式的不间断电源在UPS电源当中性能是比较完美的一种。它可以很好的解决市电的浪涌.持续的高压或低压

2、.断电等问题。而在市电故障的时候则有蓄电池给电源逆变部分供电，从而保证UPS的不间断供电。UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义，应是我们选购时的考虑重点。市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强减少电池放电）。输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性,而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。 智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势，随着UPS在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电系统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智

3、能化是UPS的新趋势，UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了UPS的功能，可以监控UPS的运行工作状态，还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时，UPS自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。智能型UPS通过接口与计算机进行通讯，从而使网络管理员能够监控UPS，因此其管理软件的功能就显得极其重要。关键词：运行方式 开关电源脉宽调制 逆变器 维护第一章 引言5.6第二章 硬件设计62.1工作原理6，72.1.1 UPS的分

4、类8.92.1.2 UPS的运行方式102.2硬件框图102.3开关电源部分112.3.1开关电源原理图112.3.1 MC44608的介绍112.3.2 MC44608的引脚122.3.3开关电源部分的解读13第三章 逆变部分143.1.1 逆变部分电路原理图143.1.2 NB950芯片143.2 电路的技术指标153.3逆变电路的工作原理153.4元件选择16第四章 蓄电池部分164.1蓄电池的选择164.2免维护电池的使用16.17总结18致谢19参考资料20第一章 引言Ups UninterruptedPower Supply ）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

5、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

6、的发展历程。现代社会对电力的依赖程度是无法估量的，试想一下，停电了我们还能干什么：工作？看电视？坐地铁？吹风扇？吃冰激凌？没可能了！还好现在的电力供应已经稳定了，长时间的停电现象已很少出现。但是由于各种原因造成的局部短时间的停电还是不可避免的，据IDC统计，全部电脑故障的45%是由电源问题引起的；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；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。另外，精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断

7、的，以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的，即使是一台普通电脑，其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。大家可以想象，今天如果未使用不间断电源系统，那么当市电发生异常，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？那可是有钱也买不到，所以为您的设备添购不断电系统，就如同买保险一样，有备无患；UPS系统并不是只有当停电时才有动作的，前面所提到的市电异常，包含了市电电压过低、过高、突波、噪声等，足以影响设备正常运作的电源品质，因此UPS的重要性可见一斑。为此我们设计了

8、一套供小型家庭使用的UPS设备。第二章 硬件设计2.1工作原理UPS电源系统由4部分组成：整流AC-DC变换）、储能电池组）、变换。1. AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。2. DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。3. 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护

9、、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2-1所示。【图2-1】 不间断电源工作原理框图其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大

10、小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。2.1.1 UPS的分类UPS已从60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，UPS一般均指静止式UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。一）后备式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电，当市电异常。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，

11、有切换时间，且输出波形一般为方波。 【图2-2】 后备式二）在线互动式UPS在线互动式UPS是界于后备式和在线式工作方式之间的UPS设备，它集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态，具有双向功能，即在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作给电池组充电，起充电器的作用；在市电异常时逆变器立刻投入逆变工作，将电池组的直流电压转换为交流正弦波输出。在线互动式UPS也有转换时间，比后备式UPS短，保护功能较强。采用了铁磁谐波变压器，在市电供电时具有较好的稳压功能。由于充电逆变器共用一个模块，在给电池充电时，由逆变器产生的高频成份很难滤掉，充电

12、效果不是非常令人满意，故不适合作长延时的UPS。在线互动式UPS价格远远低于在线式UPS，只比后备式UPS价格稍高，因此也是一种适合小型办公或家庭使用的UPS。原理框图如图2-3所示：【图2-3】 在线互动式 三）在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，当市电异常。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS【图2-4】在线式2.1.2UPS的运行方式运行方式：不断电系统的供电原理是当市电正常时，机器会将市电的交流电路换为直流电，

13、而后对电池充电，以备电力中断时使用；这里跟各位强调的是不断电系统并不是停电时才会动作，像是遇到电压过低或过高、瞬间突波等，足以影响设备正常运转的电力品质时，不断电系统均会动作，提供设备稳定且干净的电力。当市电正常供电时，市电经滤波回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换提供电力给负载使用；由此可知，在线式不断电系统的输出完全由逆变器来供应，因此不论市电电力品质如何，其输出均是稳定而不受任何影响。一旦市电发生异常时，将储存于电池中的直流电转换为交流电，此时逆变器的输入改由电池组来供应，逆变器持续提供电力，供给负载继续

14、使用，达到不断电的功能。、2.2硬件框图本次设计的在线式UPS的原理结构框图如图2-5所示）。220V、50Hz的市电经过开关电源转换为几十伏的低压直流电经二极管D1对铅酸蓄电池组充电的同时，还为逆变器供电。然后由升压变压器B1将逆变器输出的低压交流电升为220V。当外界停电时，开关电源无输出电压，D1截止，铅酸蓄电池组由充电状态迅速转为放电状态。在转换过程中没有后备式UPS那种继电器的切换，杜绝了供电瞬间中断的现象，保证了电能的持续不间断供应。【图2-5】在线式UPS的原理结构框图2.3 UPS的开关电源部分 2-6 UPS 充电电路图示UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制

15、。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系

16、统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。2.31 开关电源原理图UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不

17、同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。莱钢中小型棒材生产线因生产需要不允许断电，因此，UPS电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50并留有一定的余量，我厂UPS电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时，半容量为1小时。开关电源原理图【图2-7】2.3.2控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和衡孚开关电源动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和

18、稳定性。当市电正常380Vac时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220Vac交流电压，同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重ups电源原理新开机即开始恢复

19、工作。为使不间断电源充分工作，避免在过载或欠载下运行，电源在开机前，首先计算负载容量。FR-UK型不间断电源标称额定功率）80%的阻性负载设计负载能力，一般带计算机负载时可承受的按下式估算：i=1nPiP其中P为不间断电源输出容量能正常工作的直流电压范围：2132V；(2输出电压：50Hz、220V，波形为脉宽可变的方波；(3输出功率：额定500W，最大600W(阻性负载时；(4输出电压稳定度：当输入直流电压在2132V范围内变化，或负载由空载至满载变化时，输出电压变化均小于3，允许突然加载或掉载；(5具有开机软启动保护、过荷短路保护、输出过压保护等功能，保护值可调；(6整机效率：80(400

20、W阻性负载时。3.3 逆变电路的工作原理该逆变器电路如图3-1所示。NB950内部原理框图如图3-2所示，其主要性能参数见附表。机器工作时，模块、脚交替输出的驱动信号，其脉宽受反馈到、脚的输出电压取样信号及加到脚的电流取样信号控制，驱动两臂场效应功率管轮流导通，在输出变压器次级绕组输出稳定的220V交流电压。当输出电压因输入直流电压变化或负载变化而波动时，NB950内部电路会根据、脚取样信号的变化自动调整脉冲宽度，使逆变输出电压稳定不变；而当输出过载或短路，使功率管工作电流过大时，NB950则根据脚上的过流信号，将脉宽限制在一定值，达到限流保护的目的。万一电路失控，输出电压升高，达到调定的过压

21、保护值时，NB950将自动关闭输出，并保持自锁状态，从而避免损坏用电设备。过压保护值由W1调节，输出电压由W2调节，过流保护值由W3调节。图中，R1R8为防振电阻。R9是电流取样电阻，取样信号经R10、C1滤波后送至NB950脚。R11、C3组成削尖峰电路，用以削减功率管开、关瞬间产生的脉冲尖峰，防止管子过压击穿。3.4 UPS的元器件选择功率管选用VDS120V、IDM15A的VMOS管：型号： 材料： 最高电压： 最大电流: 最大电流:IRF242 N-FET 200 V 20 A150WIRFP242N-FET 200 V 30 A 125 W每臂4只并联应用。电流取样电阻R9可用16只

22、0.1、2W的金属膜电阻并联获得。转换开关K要选用触点电流大于5A的双刀双掷开关。输出变压器B是关键元件，对整机性能影响较大，可以选择自制。铁芯要选用窗口大一些的优质矽钢片，芯柱截面不小于35cm2。初级线圈用10mm2丝包扁铜线绕3030匝，中间抽头；输出绕组用1.2mm漆包线绕400匝，280匝处抽头；反馈绕组用0.3mm漆包线绕45匝。各绕组间绝缘要良好。第四章 蓄电池部分4.1蓄电池的选择 蓄电池选择24V容量在10Ah以上的免维护电池。因为免维护电池的优点：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，寿命较短，比铅酸

23、电池贵。4.2 UPS电源系统使用注意事项UPS电源系统因其智能化程度高，储能电池采用了免维护蓄电池，这虽给使用带来了许多便利，但在使用过程中还应在多方面引起注意，才能保证使用安全。UPS电源主机对环境温度要求不高，+540都能正常工作，但要求室内清洁，少尘，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25，平时不能超过+15+30。温度太低，会使储电池容量下降，温度每下降1，其容量下降1。其放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低。如果在高温下长期使用，温度每高10，电池寿命约降低一半。(2主机中设置的参数在使用中不能随意改变。特别是对电池组的参数，会直接影响

24、其使用寿命，但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应调整。通常以25为标准，环境温度每升高或降低1时，浮充电压应增加18mV在无外电靠UPS电源系统自行供电时，应避免带负载启动UPS电源，应先关断各负载，等UPS电源系统起动后再开启负载。因负载瞬间供电时会有冲击电池，多负载的冲击电流和加上所需的供电电流会造成UPS电源瞬间过载，严重时将损坏变换器。(4UPS电源系统按使用要求功率余量不大，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了UPS电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，都会造成主机出故障，严重时将损坏变

25、换器。(5自备发电机的输出电压，波形、频率、幅度应满UPS电源对输入电压的要求，另久发电机的功率要远大于UPS电源的额定功率，否则任一条件不满，将会造成UPS电源工作异常或损坏。(6由于组合电池组电压很高，存在电击危险，因此装卸导电联接条、输出线时应用安全保障，工具应采用绝缘措施，特别是输出接点应有防触摸措施。 (7不论是在浮充工作状态还是在充电、放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。过高的电压或电流可能会造成电池的热失控或失水、电压、电流过小会造成 电池亏电，这都会影响电池的使用寿命，前者的影响更大。(8在任何情况下，都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。

26、放电深度越深、循环寿命越短。在容量实验中或是放电检修中，通常 放电达到容量的3050就可以了。(9对电池应避免大电流充放电，虽说在充电时可以接受大电流，但在实际操作中应尽量避免，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大，温升越高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。4.3免维护电池的使用1、尽量不接电感性负载。因为电感性负载的启动电流往往会超过额定电流的34倍，这样就会引起UPS的瞬时超载，影响UPS的寿命。电感性负载包括夏天常用的电风扇、冰箱等。2、不宜满载或过度轻载。不要按照UPS的额定功率去使用它，不要认为空着的接口不应该闲着而连接其他电器，长期满载状态将直接影响U

27、PS寿命。一般情况下，在线式UPS的负载量应该控制在7080，而后备式的UPS的负载量应该控制在6070。注意，过度轻载也不好，虽然不如过载那么严重。3、保护好蓄电池。UPS的一个非常重要的组成部分就是蓄电池。目前，多数中小型的UPS都采用无需维护的密封式铅酸蓄电池。虽然表面上它不需要维护，但照顾不周，同样会出毛病，何况这种电池还挺贵。来自UPS维修部门的数据表明：约30的UPS损坏实际上只是电池坏了。所以，维护UPS的关键是维护蓄电池。相比较而言，蓄电池是比较娇贵的，要求在030环境中工作，25时效率最高。因此，在冬、夏季一定要注意UPS的工作环境。温度高了会缩短电池寿命，温度低了，将达不到

28、标称的延时。4、定期维护。通常，半年应该给UPS测量一下电池的端电压。如果电压超过1V就应该使用均衡的恒压限流(0.5A充电，若不奏效，只能换新电池。如果当地长期不停电，必须定期(三个月人为中断供电，使UPS带负载放电。因为长期没断过电，所以你一直以为它是在正常工作的，而实际上一旦断电，它只能提供很短的延时甚至根本没有延时，原因就是蓄电池长期处于浮充的充电状态。5、注意防雷击。雷击是所有电器的天敌，一定要注意保证UPS的有效屏蔽和接地保护。另外，还应把UPS放在通风散热良好的地方。 尽量不接电感性负载。以防止启动电流超过额定电流，引起UPS瞬时超载，进而影响UPS的寿命。6不宜满载或过度轻载。长期满载状态将直接影响UPS寿命。一般，在线式UPS的负载量应该控制在70%80%，而后备式的UPS的负载量应该控制在60%70%。注意，过度轻载也不好，虽然不如过载那么严重。7 保护好蓄电池。大约30%的UPS故