畢業(yè)設計--ups不間斷電源的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p>　　專 業(yè)：機電一體化 </p><p>　　班 級：機電1001班 </p><p><b>　　指

2、導教師： </b></p><p><b>　　電子信息工程系印制</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術的發(fā)展國民經(jīng)濟、國防軍工、政府部門的各個領域要保障計算機信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全、可靠運行就離不開UPS不間斷電源這已成為信息業(yè)界乃至各

3、行各業(yè)的共識。 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從UPS電源裝置的結構和形式來考慮其設計方案。整個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提供在線工作的能量輸入逆變器為UPS提供在線工作的高質量的穩(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)旁供電之間可實現(xiàn)不間斷供電切換</

4、p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 概述 ························

5、83;················1</p><p>　　1.1 UPS的發(fā)展歷程··············

6、················1</p><p>　　1.2 UPS發(fā)展的前景··············

7、83;···············1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)整體設計方案···············

8、················2</p><p>　　2.1 UPS電源不間斷供電的原理·············

9、3;······2</p><p>　　2.2 UPS總結構框圖························&

10、#183;·····3</p><p>　　第三章 單元電路設計·························

11、··········4</p><p>　　3.1 降壓并濾波·····················

12、;·········5</p><p>　　3.2 整流電路······················

13、;··········5</p><p>　　3.3 穩(wěn)壓電路給蓄電池充電····················

14、;6</p><p>　　3.4 逆變器及逆變電路························6</p><p>　　3.5 斬波電路信號的

15、產(chǎn)生······················8</p><p>　　3.6 變壓器變壓并濾波輸出·······

16、3;············9</p><p>　　3.7 UPS切換開關··················&

17、#183;·········9</p><p>　　第四章 總體電路圖·····················&

18、#183;··············10</p><p>　　第五章 結論················

19、83;·························11</p><p>　　第六章 致謝······

20、;····································12

21、 </p><p>　　第七章 參考文獻······························&#

22、183;·······12 </p><p><b>　　概 述</b></p><p>　　自從電子設備特別是計算機問世以來，電源問題一直是人們十分關心的問題。對于一些特殊位置的重要設備，人們不但關心其供電電源本身的性能指標，更注重供電電源的質量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因為這些

23、設備的電源一旦出現(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)為解決這個問題提供了廣闊的前景</p><p>　　1. UPS的發(fā)展歷程：</p><p>　　最初的UPS是由旋轉電動機供應能量的動態(tài)UPS，即不間斷是靠動能維持。隨著社會技術的提高，于是出現(xiàn)了靜態(tài)UPS，它的主電路和控

24、制電路均采用半導體器件，它也是目前絕大多數(shù)概念中的UPS。</p><p>　　2. UPS的發(fā)展前景：</p><p>　　從以上可看出UPS從當初發(fā)展到今天計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)在內(nèi)的能源、醫(yī)藥、交通、通訊系統(tǒng)等領域。特別是從技術內(nèi)含意義上講，從當初單一的機械式到今天包羅了當代全部的電子技術:從微電子學到功率電子學，從線性電路到數(shù)字電路，從計算機硬件到軟件，從電信號通訊到光纖通訊以及

25、機電一體化技術。</p><p>　　隨著微電子技術和電力電子技術的不斷發(fā)展，電源技術的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢，UPS不間斷電源也不例外。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，可帶來顯著節(jié)能、降耗的可觀經(jīng)濟效益。</p><p>　　由此可看出，UPS已當之無魄成為當代高科技成員，而且正隨著電力電子技術、計算機技

26、術、網(wǎng)絡技術等相關技術的發(fā)展而不斷發(fā)展。 </p><p><b>　　系統(tǒng)整體設計方案</b></p><p>　　UPS不間斷電源裝置不間斷供電的含義就是指當交流輸入電源市電發(fā)生異?；驍嚯姇r，電源裝置能繼續(xù)向負載供電，而且能保證供電質量，使負載供電不受影響。</p><p>　　實現(xiàn)此目的的交流不間斷UPS電源的基本組成，如圖2-1所示:&

27、lt;/p><p>　　圖1 UPS基本組成框圖</p><p>　　在此基本組成電路中當市電發(fā)生斷電或異常時，關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載供電的不間斷和質量。如果要保證負載的不間斷供電和負載的供電質量，就必須增強UPS電源裝置的可靠性，因為只有電源裝置的可靠性提高了，才能使負載供電不間斷和質量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置的結構和形式來

28、考慮其設計方案。下面在分析不間斷供電的原理的基礎上，提出本課題的整體設計方案。</p><p>　　2.1 UPS電源不間斷供電的原理</p><p>　　負載間斷供電的原因，造成負載間斷供電的原因有很多，概括起來主要有: </p><p>　　1.交流輸入電源市電突然發(fā)生停電。</p><p>　　造成這種突然停電的原因較多，如用戶發(fā)生

29、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斷裂.鳥害引起斷裂而跳閘.臺風或龍卷風將輸電線刮斷等。</p><p>　　2.交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。</p><p>　　3.電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。</p><p>　　因此，解決負載不間斷供電須從以上三方面主要原因入手。</p><p>　　從UPS基本組成原理

30、圖1可看出，</p><p>　?。?）在交流輸入電源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲存能量，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，整流器就無直流輸出，這時蓄電池自動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。當市電恢復正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復整流器供電，這樣負載得到連續(xù)供電，不會產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。</p>

31、<p>　?。?）當逆變器發(fā)生故障時，很明顯，圖1所示結構的UPS就不能實現(xiàn)負載的不間斷供電。</p><p>　　2.2 UPS總結構框圖：</p><p>　　UPS結構圖如圖2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(jīng)過變壓器將電壓變小，在濾去雜波，整流成直流電壓，經(jīng)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(jīng)過

32、PWM逆變電路將直流變?yōu)榻涣?，?jīng)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，就由蓄電池工作，代替整流器輸出直流電，經(jīng)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-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”。</p><p&g

33、t;　　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。</p><p>　　圖2 UPS結構原理圖</p><p>　　第三章 各單元電路設計</p><p>　　3.1、降壓并濾波：</p><p>　　如圖3所示:從電網(wǎng)上輸入220V交流電,經(jīng)過變壓器將電壓降低,再經(jīng)過交流濾波器L5.C10把雜波濾去。</p

34、><p>　　圖3 變壓器與交流濾波</p><p><b>　　3.2、整流電路：</b></p><p>　　變壓器T1交流電輸入，經(jīng)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(lián)一個電感L1，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容C1

35、濾除電壓的高次諧波，以減小紋波電路。如圖4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(jīng)二極管整流橋整流成直流。Q1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。 </p>

36、<p>　　圖4 整流與斬波電路</p><p>　　3.3、穩(wěn)壓電路給蓄電池充電：</p><p>　　如圖5所示：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。 </p><p><b>　　圖5穩(wěn)壓充電電路</b></p

37、><p>　　3.4、逆變器及逆變電路：</p><p>　　逆變器采用正弦波PWM逆變器方式：圖6所示為正弦波單相全橋逆變器電路。</p><p>　　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

38、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。</p><p><b>　　圖6正弦波逆變電路</b></p><p><b>　　逆變電路 </b></p><p>　　SG3524為逆變器的核心電路如圖7所示，逆變頻率由R17和C7以及SG3524片內(nèi)振蕩器決定。SG3

39、524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(diào)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。 </p><p>　　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

40、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(xiàn)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(lián)式直流穩(wěn)壓電源，它由集成塊內(nèi)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(chǎn)生0.6V~3.5V的鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓，送

41、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(jīng)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(chǎn)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(diào)制信號，最后依次通過或非門HF1,HF2功率放大器VQ1,VQ2輸出。</p><p>　　圖7 SG3524逆變電路</p><p>　　3.5、斬波電路信號的產(chǎn)生：

42、</p><p>　　此電路主要用來驅動IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)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(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產(chǎn)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(diào)電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設有保護電路。它

43、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(jīng)過光電耦合之后才送至驅動電路。其電路圖如下圖 8所示：</p><p>　　圖8 斬波IGBT驅動電路</p><p>　　工作原理：通過R12、R13、C8結合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。 其產(chǎn)生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R15可以改變占

44、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。</p><p>　　3.6、變壓器變壓并濾波輸出：</p><p>　　經(jīng)過逆變后的交流電因為沒有達到需求的電壓，在經(jīng)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

45、波器進行濾波，使輸出的交流電穩(wěn)定于所需電能。如圖9所示</p><p><b>　　圖9 變壓濾波</b></p><p>　　3.7、 UPS切換開關：</p><p>　　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?；蛲ｋ?，主電路由蓄電池代替整流開始工作，只有當

46、逆變器發(fā)生異?；蛘咭M行電路維修時開關才向旁路導通。這個切換開關由電磁繼電器構成。</p><p>　　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(xiàn)故障時，電流將斷開，繼電器的電磁鐵將不能產(chǎn)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。如圖10所示。</p>

47、<p>　　圖10 UPS切換開關</p><p>　　第四章 UPS總體電路圖</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　UPS不間斷電源有許多實現(xiàn)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(xiàn)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(lián)系實際生活中UPS

48、必須解決的相關問題，突然發(fā)現(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)控制，逆變電路由SG3524逆變電路實現(xiàn)，采用由三角波PWM控制方式的正弦波逆變器，為實現(xiàn)由市電供電和逆變器供電之間的轉

49、換，必須要有一個轉換控制電路來實現(xiàn)。 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(xiàn)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(xiàn)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</p><p><b>　　致

50、 謝</b></p><p>　　值此論文完成之際，謹向悉心指導我的xx老師致以深深的謝意。在整個設計過程中，xx老師給我創(chuàng)造了良好的學習、研究設計環(huán)境。xx老師豐富的閱歷和豁達的處世觀，給我留下了深刻的印象。在我學習和完成設計的各個階段，xx老師精心的點撥與指導、富有創(chuàng)造性的研究思想、嚴謹?shù)目蒲凶黠L、淵博的知識以及高尚的人格都給了我很大啟發(fā)與幫助。特別是在我進行系統(tǒng)設計和畢業(yè)論文寫作期間，xx老師

51、傾注了大量的心血，既要求我獨立思考，提出自己的見解又不時地給我指引正確的研究方向。這樣，一方面鍛煉了我獨立科研的能力，另一方面有利于形成我自己的思想而又不偏離正確的方向，將使我受益終身。 衷心感謝我的學校和學院，給我提供了良好的學習和設計環(huán)境。 再一次感謝曾經(jīng)孜孜不倦教我做人、做事、做學問的各位老師，更加感謝這次設計給我提供巨大幫助的xx老師老師，她是一個對學生嚴格要求又不失和藹可親的老師，沒有他的悉心指導與熱心幫助，就不會有我的進步

52、與提高。 最后，對在我讀書期間所有關心、支持我的親人、老師、同學、朋友致以衷心的感謝和深深的祝福。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　1. 浣喜明 電力電子技術 高等教育出版社 2011.7</p><p>　　2. 譚恩鼎 電工基礎 高等教育出版社 2000.9<

53、/p><p>　　3. 王廷才 彭慧純 Protel 99 SE EDA 技術及應用 機械工藝出版社 2008.5</p><p>　　4. 李成章現(xiàn)代電源及電路圖集電子工業(yè)出版社2001.7</p><p>　　5. 張乃國UPS供電系統(tǒng)應用手冊電子工業(yè)出版社2003</p><p>　　6. 王其英何春華編著新型UPS工作