1、江苏建筑职业技术学院毕业说明书1一、绪论1.1 课题研究背景及意义进入信息时代以后，计算机和各种通信设备日益成为工业、商业、金融等行业必不可少的一部分。通常情况下，计算机作为一种精密的用电设备，对交流电源的供电质量、可靠性和连续性等都有严格要求，不允许有超过 3-5 ms 的中断。市电的突然中断和异常，会直接影响计算机的正常工作，对于一些对计算机工作要求严格的场所如证券交易所和银行造成不可估量的损失。而对通信领域来说，如果通信设备的供电电源突然中断或出现异常，将影响整个通信系统的运行，对国防和工农业生产及日常生活将造成巨大的影响。因此，为了保证用电设备能够在断电及供电异常的情况下正常运行，人们
2、研究开发出了 UPS。UPS（Uninterruptable Power Supply）能够满足用电设备所要求的高质量的电能，即解决市电中断或瞬变时对计算机等负载产生的不良影响、保证输出优质正弦波。UPS 具有稳压、稳频、滤波、抗干扰、防电压浪涌等功能，最重要的是能够在掉电时对负载持续供电，使负载供电不受影响。在实现相同功能的前提下，UPS 的性价比最高。目前其广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合，如银行、证券交易所的计算机系统，Internet 网络中的服务器、路由器等关键设备，各种医疗设备，办公自动化设备，工厂自动化机器、远距离通信系统等。这些系统，对供电质量的可靠性、连续
3、性及稳定性都提出了很高的要求，正常的市电很难满足这些标准。UPS 不间断电源发展至今已经是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入 UPS 系统，高性能 UPS 是 UPS 发展的必然趋势。UPS 的发展，并由此推动与之相关技术的发展，选择此课题作为毕业设计具有深远的意义。1.2 UPS 的发展现状随着计算机的硬件结构逐渐小型化甚至微型化，计算机所需电源的容量也逐渐降低，为了保证计算机能够持续良好的运行，对 UPS 的容量要求也越来越低。最初的 UPS 主要为后备式，即市电正常时，不经过 UPS
4、 直接向用电设备供电，这样不能够满足对供电质量要求高的用电设备，同时市电故障时电路切换到备用式 UPS 有一定的时间差，如果时间差太大，会影响用电设备的连续运行。为了解决上述问题，在线式 UPS 电源应运而生，在线式 UPS 能够使 UPS始终处于工作状态，由于在线式多采用双变换式（整流变换和逆变换） ，因而可以保证输出电压恒压恒频，具有较高质量的电能，而且在市电断电后，可以没有时间差的继续向负载供电。随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化已成为发展趋势，UPS 不间断电源也不例外。江苏建筑职业技术学院毕业说明书2电力电子功率器件的高频化和模块化使得
5、UPS 电源产品的体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济效益。微处理器软硬件的引入，可以实现对 UPS 的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。从而为 UPS 电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器相继诞生，同时又有了功率因数校正PFC 方法，为 21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。由此可看出，UPS已成为当代当之无愧的高科技成员，而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。 1.3 UPS 的基本介绍1.3.1 UPS 基本工作原理UPS 是不间断电源（Uninterruptible
6、Power Supply）的英文简称，是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。从原理上来说，UPS 是一种集数字和模拟电路，自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备。UPS 作为一种交流不间断供电设备，其作用有二：一是在市电供电中断时能继续为负载提供合乎要求的交流电能；二是在市电供电没有中断但供电质量不能满足负载要求时，为负载提供稳压、稳频的交流电。最基本的 UPS 主要包括整流模块、逆变模块和蓄电池充电模块。而整流模块与逆变模块是 UPS 的核心。整流模块主要完成整流工作，简单的说就是将交流电（AC ）转化为直流电（DC） 。它主要有两个功能：第一，将交流电（AC）变
7、成直流电(DC)，经过滤波器滤波后给负载提供一个稳定的工作电压，在本设计中它同时直接将整流过的电压供给逆变器；第二，当给蓄电池需要充电时给蓄电池提供整定电压。在本设计中整流模块作为一个充电器首先流经充电电路，然后再给电池组充电。蓄电池充电模块起到为 UPS 储存电能的作用，一般情况下，我们都选择用若干个小容量电池串联来达到大容量的方式来设计蓄电池模块，其容量是维持放电（供电）的时间的决定性因素，本次设计将采用此方法。其主要功能是：当市电处于正常状态时，电能将会被转换成化学能储存在电池组的内部；当市电发生故障而不能正常供电时，电池组将放电使化学能转换成电能为逆变器或负载提供电能。通俗点讲，逆变模
8、块是一种将直流电（DC ）转化为交流电（AC）的装置，一般而言逆变桥、控制逻辑和滤波电路构成了逆变器的主要部分。图 1-1 为 UPS 基本组成框图，当市电正常时整个系统是由市电提供电能，电能经整流器和逆变器的整流逆变作用最终为负载提供稳定的电能；而当市电故障时，蓄电池作为系统的电源为系统供电。市电 整流器 逆变器 负载蓄电池江苏建筑职业技术学院毕业说明书3图 1-1 UPS 基本组成框图1.3.2 双变换在线式 UPS电源特点双变在线式 UPS 又称为串联调整式 UPS。该 UPS 一般来说由整流器、充电器、蓄电池和逆变器等几部分组成，它是一种以逆变供电为主要的电源形式。当市电正常供电时，市
9、电一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流电再送给负载。仅仅在逆变器出现故障时，才通过转换开关切换为市电旁路供电。双变在线式 UPS 的双变体现在市电正常时供给负载的电能都要经过整流器和逆变器的处理;在线体现在一边是充电电路，一边是逆变电路，中间是蓄电池，根本不需要微处理器电路侦测和切换，切换电路时不存在转换时间。（1）不论市电正常与否，负载的全部功率都由逆变器给出，所以，在市电产生故障的瞬间，UPS 的输出不会有任何间断。（2）输出电能质量高。UPS 逆变器采用高频正弦脉宽调制和输出波形反馈控制，可向负载提供电压稳定度高、波形畸变率小、波频率稳定以及
10、动态响应速度快的高质量电能。（3）全部负载功率都由逆变器提供，UPS 的容量裕量有限，输出能力不够理想，所以对负载输出电流峰值系数（一般为 3:1） 、过载能力、输出功率因数（一般为 0.7）等提出限制条件，输出有功功率小于标定的千伏安，应付冲击负载的能力较差。（4）整流器和逆变器都承担全部负载功率，整机效率低。10KVA 以下的UPS 为 80%左右， 50KVA 的可达 85%90%，100KVA 以上的可达90% 92%。 1.4 本课题内容1.4.1 设计要求设计一款双变在线式 UPS 电源，设计要求如下： （1）单相交流市电输入为 175V264V，输入频率 50+5HZ，输入功率因
11、数 0.85。（2）输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求（3） UPS 输出正弦波电压 220+5V，频率为 50+2HZ(市电同步)、50+0.5HZ（本机振荡） 。（4）UPS输出功率为10KVA。 1.4.2 双变在线式 UPS电源的主要内容基于设计要求，本设计的原理图如图 1-2 所示：江苏建筑职业技术学院毕业说明书4交交交交交交交交交交交 交交交交交交交交交交交交交交交交交 交交交图 1-2 双变在线式 UPS 设计原理框图（1）各模块主要功能1）滤波器：过滤交流的杂波；2）整流器：将交流电转换为直流电；3）逆变器：将直流电转换为交流电；4）电池组：当市电中断时为负载提供
12、电能；5）充电电路：为电池组充电；6）转换开关：负责负载电能来源的切换。（2）本设计主要内容如下：1)双变模块设计：为体现其双变的特征本设计以双变模块为设计重点，即整流模块与逆变模块。2）蓄电池及充电模块设计：是保证 UPS 在市电中断时能正常工作的部分，是 UPS 的主要模块。3）辅助模块设计：包括功率因数校正电路、静态开关保护电路。4）抗干扰措施： UPS 通常都会受到干扰，因而抗干扰的设计是必要的。二、双变模块的设计双变在线式的 UPS 电源的双变就体现在有将交流电转化为交流电的整流模块和将直流电转化为交流电的逆变模块，整流模块与逆变模块就是 UPS 的双变模块。双变在线式 UPS 不间
13、断电源其基本的供电电路是：市电 整流器 逆变器 负载。所以本设计 UPS 的核心模块便是双变模块，它的好坏直接影响着UPS 的性能。本设计将双变模块作为设计的重点，将整流模块与逆变模块分别进行设计。江苏建筑职业技术学院毕业说明书52.1 整流模块的设计2.1.1 整流滤波器的简单介绍整流电路是一种将交流电能变换为直流电能的变换电路。UPS 内部蓄电池、逆变器及控制电路均需要直流电，这就要求 UPS 内部必须有整流电路。整流电路主要的功能是：（1）将交流电变为直流电。（2）具有输出电压保持能力。（3）抑制电网的干扰信号。整流电路的形式有很多种类。按组成整流的器件分，可分为不可控型、半控型和全控型
14、整流电路三种。不可控整流电路的整流器件全部由整流二极管组成，全控整流电路的整流器件全部由晶闸管或是其它可控器件组成，半控整流电路的整流器件则由整流二极管和晶闸管混合组成。按输入电源的相数分，可分为单相电路和多相电路。按整流输出波形与输入波形的关系分，可分为半波整流和全波整流。按控制方式分，又可分为相控整流电路和 PWM 整流电路，相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，是目前获得直流电能的主要方法。根据设计的技术指标要求，经过研究和讨论本设计采用单相桥式全控整流电路。单相桥式全控整流电路是指将四个晶闸管结成电桥形式的整流电路。根据带负载情况的不同，可以分为带电阻负载的单相桥式全控整流电路、带
15、阻感负载的单相桥式全控整流电路、带反向电动势的单相桥式全控整流电路。带电阻单相桥式全控整流电路简单实用，本次设计采用此种类型整流电路，变压器的变比为 2:1，其工作情况,如图所 2-1 示：图 2-1 单相全控桥式带电阻负载时的电路在 单 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 中 ， 晶 闸 管 VT1 和 VT4 组 成 一 对 桥臂 ， VT2 和 VT3 组 成 另 一 对 桥 臂 。 VT1 和 VT3 组 成 共 阴 极 组 ， 加 触 发脉 冲 后 ， 阳 极 电 位 高 者 导 通 。 VT2 和 VT4 组 成 共 阳 极 组 ， 加 触 发 脉冲 后 ， 阴 极 电 位 低 着
16、 导 通 。 触 发 脉 冲 每 隔 触 发 一 次 ， 分 别 触80江苏建筑职业技术学院毕业说明书6发 VT1、 VT4 和 VT2、VT 3。 原 来 的 交 流 电 经 过 整 流 电 路 整 流 后 变 成 了直 流 。而 其 中 的 数 量 关 系 为 ：(2-1) 2cos19.0Ud角 的 移 相 范 围 为 。18(2-2) RId(2-3)ddT21(2-4)sinRUI(2-5)2I(2-6)T1不 考 虑 变 压 器 的 损 耗 时 ， 要 求 变 压 器 的 容 量 为 :(2-7)2IUS本 次 设 计 所 选 的 带 负 载 情 况 的 单 相 全 控 型 整 流
17、 电 路 ， 由 于 变 压 器变 比 为 2:1， 所 以 为 110V 规 定 触 发 角 为 ， 电 阻 R 为 52 60以 下 是 对 其 参 数 的 计 算 ：整 流 电 压 平 均 值 ：(2-8) VUd 25.74cos109.2cos9.0向 负 载 输 出 的 直 流 电 流 平 均 值 ：(2-9) RId9.152.74流 过 晶 闸 管 的 平 均 电 流 ：(2-10) VIddT.21流 过 晶 闸 管 电 流 有 效 值 ：(2-11) ARUIT 68.4sin2输 出 直 流 电 流 有 效 值 :江苏建筑职业技术学院毕业说明书7(2-12) AIT6.8
18、.42变 压 器 二 次 侧 电 流 有 效 值 : (2-13) I.2变 压 器 的 变 换 效 率 按 90%计 算 ， 则 变 压 器 的 容 量 为 ：(2-14) WIUS 3.46590.62 晶 闸 管 承 受 的 最 大 正 向 电 压 为 :(2-15) V.712晶 闸 管 承 受 的 最 大 反 向 电 压 为 :(2-16) U.52故 晶 闸 管 的 额 定 电 压 为 ： (2-17) VN 3.46.01.)3(晶 闸 管 的 额 定 电 流 :(2-18) AIIT.92.7)5.1(所 以 选 择 三 菱 系 列 的 单 相 整 流 桥 模 块 CM20MD
19、（ MDL） 12H。 所 以 通 过 的 最 大 电 流 为 10A， 通 过 的 最 大 电 压 为600V， 能 够 承 载 的 最 大 负 载 为 1500W。2.2 逆变模块的设计2.2.1 逆变器的选型逆变器是 UPS 的核心，它负责把整流滤波后得到的直流电或者蓄电池存储的直流电转化为用户所需的稳压稳频的交流电能。由于在线式 UPS 系统只要不存在输电故障，负载的供给的都是经整流和逆变过的稳压稳频电能，所以整个UPS 的性能在很大程度取决于逆变器逆变的效果。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。在本UPS
20、不间断电源设计中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或者蓄电池的直流输出和充电器的输出，属于电压源，因此本设计中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般采用 导电模式，即在一个周期内每个臂导通 。180 180目前在 UPS 的逆变器中，逆变原理普遍采用脉宽调制技术（PWM 技术）及波形叠加技术，而实现这些技术的功率级电路有推挽逆变电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路、三相桥逆变电路等。在要求输出功率较大的场合，比如5000VA 以上时，一般都采用全桥式逆变器电路结构，全桥式逆变器电路结构又分为单相桥和多相桥，单相桥多用于小功率的单进单出 UPS 中，一般在10KVA 左右，在特殊情况下，比如三进
21、单出 UPS 中也有大功率，比如 30KVA江苏建筑职业技术学院毕业说明书8及以上，不过大功率时多用三进三出全桥式逆变器电路结构。综合设计条件本设计主回路使用单相全桥式逆变电路结构，控制方式采用 SPWM 调制方式，逆变功率器件选用 IGBT。2.2.2 逆变器主回路电路经过研究讨论，根据设计要求最终将逆变器主回路设计成以下方案，如图2-2所示：VD1 VD2 VD3 VD4 R V2V1V3V4 LI-LEMV-LEM 2IGBT*2T1+-DC IN2SCR图 2-2 逆变器主电路图在图2-2 中，I-LEM 是霍尔电流传感器和V-LEM是电压传感器。逆变开关器件采用两单元的IGBT模块。
22、T1为工频隔离变压器。静态开关由一对反并联的快速晶闸管组成。IGBT的大小选择主要从耐压、耐流两方面考虑。根据逆变器的容量S（10KVA）和输出电压U（220V），额定电流计算如下：(2- 19)耐压电流、耐压电压一般取3倍的额定裕量，所以额定电流取100A ；耐压值取660V。经过对比选型本设计采用日本富士公司生产的两单元模块2MBI100N-120。2.2.3 IGBT 驱动电路的设计逆变电路常用的功率开关器件有电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，能适应更多的领域。目前IGBT的电流和电压等级已达到
23、2500A/4500V，关断时间已缩短到10ns级，工作频率达到50KHZ，这些优越性已成为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件，最终本设计选用IGBT。电力电子功率器件作为开关器件使用时，要使其安全、可靠的工作，设计AVKUSIe45201江苏建筑职业技术学院毕业说明书9好驱动电路是一个关键的环节。不同的功率开关器件都有自身的特点，其导通和关断的具体细节是不同的，因此必须结合所采用的功率开关器件来设计其驱动电路。经过反复比较最终选择以日本富士公司生成的IGBT专门驱动芯片EXB841为核心器件的驱动电路。通过以下内容介绍此芯片：EXB841是日本富士公司提供的300A/1200
24、V快速型 IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过1us，最高工作频率达40一 50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个 -5V反偏电压，模块采用高速光藕合隔离，射极输出。有短路保护和慢速关断功能。下面结合图2-3对其外围电路进行说明。R4 R1R2R5R3RGEXB8416D1Z1 K Z2 56231C1 C2 G91415PWM INVp(+24V)IBGT+10V-5VUcc123 456 +20V+12V交交交交交交KC图2-3 利用EXB841组成IGBT驱动电路PWM脉宽调制波从EXB841的14, 15脚输入，经过EXB841的内部高速光耦隔离后放大，再从
25、3脚输出IGBT的PWM驱动信号。 2脚是EXB841的工作电源+20V的接入脚；1脚提供 IGBT的-5V反向关断电压，电容 C1, C2是为了吸收由于电源接线阻抗而引起的供电电压的变化。R3并联在2脚和1脚之间，提高共模抗干扰能力。R4为栅源电阻。 为栅极电阻。6脚是EXB841过流检测输出脚，GR一旦过流发生，它通过快恢复二极管D1快速关断驱动信号，实现 IGBT的保护。同时，EXB841内部过流封锁电路在5脚输出过流信号，可通过高速光电隔离器件送出过流报警信号。EXB841的1脚输出的-5V是内部-5.1V稳压管提供的，应用中常因功率不足易被外界干扰所产生的尖峰信号击穿损坏，以致不能很
26、好地抑制IGBT的栅极的电压波动，从而造成IGBT的损坏。因此在EXB841电路外部并接一个功率为1W的5.1V稳压管Z1。这样可有效地防止驱动块的损坏，同时也能更可靠地驱动和关断IGBT 。Z3是由两个10V 的稳压管正负对接而成，是为了防止高压尖峰造成江苏建筑职业技术学院毕业说明书10IGBT的栅源击穿。EXB841的工作电源为+20V，不是常见电源输出值。考虑到各 EXB841模块的隔离驱动，因此每个EX841的工作电源必须独立，不能共用一个电源。在本设计中，采用了专门定做的DC/DC模块电源。直流输入来自系统工作开关电源的+24V/0.5A(对GND)。 图2-3给出了由EXB841产
27、生的IGBT的驱动脉冲波形 ，其正向电压幅值CEU为10V，负电压幅值为-5V。2.2.4 IGBT 的保护电路设计IGBT是 UPS逆变器中非常重要的功率开关器件，它的工作正常与否直接关系到逆变器的正常工作，因为它的损坏对逆变器是致命的，所以必须保护好IGBT。设计好其保护电路是唯一有效的保护方法。一般IGBT 的保护从过流、过压、过热三方面入手，设计相应的保护电路和采取相应的保护措施来实现IGBT的保护。（1）关于过流保护。在上述驱动电路设计中，EXB841具有过流检测功能。保护的原理是检测过电流信号，切断门控信号并报警。这其中存在一个识别时间即切断门控信号时间要小于允许的短路过电流时间。
28、IGBT的短路电流承受能力于IGBT的饱和管压降及 有很大关系： 越小，饱和管压降越大，短路承受VV能力强。保护电路只有在2us内动作(小于短路承受能力时间 )，才能实现IGBT的保护。这么短的反应时间，往往是保护电路难以区分真、“假”短路(比如反向续流二极管反向恢复过程时间为1-2us)，从而产生误动，影响系统的可靠性。为此可从两方面入手，一方面，采用高速光电耦器件及快传送电路以加快信号的传输时间；另一方面，降低门极电压，比如从15V 降至10V ，使得IGBT的短路承受能力由5us增至10us，即在小于10us的短路时间内连续检测出过电流则属于“真”短路。在控制软件设计中，通过检侧逆变器的
29、输出电流来判断IGBT是否过流，从而采取相应保护措施。（2）过流保护时IGBT的关断速度。由于过电流时电流幅值很大，如果快速关断易造成di/dt过大，而形成很高的尖峰电压，易损坏IGBT 和其他器件。因此过流时IGBT的关断须采取慢速关断。（3）过压保护。一般采取阻容缓冲、吸收电路来抑制过电压及抑制过大的du/dt。对于200A以下的IGBT可采用如图2-4所示的缓冲电路来实现过压保护。江苏建筑职业技术学院毕业说明书11DSDSDSDSRS RS CS CS 图2-4 IGBT 缓冲电路设计2.2.5 UPS 逆变器控制电路设计逆变器的控制电路是逆变器的核心。它的功能是实现对逆变器主回路的控制
30、和调节，保持输出电压和频率的稳定。对逆变器控制电路的基本要求和功能是:（1）能控制和调节逆变器输出电压和频率的大小。（2）保持输出电压和频率的稳定。（3）对逆变器进行软启动，以控制逆变器启动时间，限制启动电流。（4）输出电压与市电电网电压锁相同步。根据以上要求，结合PWM逆变器的控制原理，设计了以下以 80C196MC单片机为控制核心的微机控制系统。UPS逆变器的控制电路框图如图2-5 所示。它包括主控电路、测量与信号采集电路、PWM脉冲输出电路、信号输出电路、同步锁相电路、通讯电路、显示电路、工作电源等部分组成。S P W M 输出8 0 C 1 9 6 M C单片机逆变器控制系统测量同步信
31、号采集给定工作方式键盘接 显示接状态信号输入保护信号输入通讯接口图 2-5 逆变器控制框图需要注意的是，在PWM脉冲输出电路设计中，虽然利用 80C196MC单片机可编程产生单相互补PWM脉宽调制波，但是从单片机发出的 PWM信号不能直接和逆变器主电路的IGBT单元模块相连接这是因为信号驱动功率不够。一般单片机的I/O 口驱动能力很弱。因此从单片机输出的PWM 信号必须经过功率驱动才能有效驱动IGBT；同时信号与主电路必须进行严格的电位隔离。逆变器的主电路处在高电压、大电流的强磁场的环境中，如果从单片机发出的PWM信号直接入主电路，主电路的强磁场及其他电磁信号势必干扰单片机的正常工作。因此在P
32、WM 信号接入主电路之前必须进行严格的电位隔离。江苏建筑职业技术学院毕业说明书12（1）测量和信号采集电路设计测量包括相位测量、频率测量、电压变送器测量、电流变送器测量等。相位和频率测量电路都是利用80C196MC 单片机的 EPA功能实现的。通过其捕获口捕获脉冲跳沿到来时刻，并记录下来。电路如图2-6所示：R1R2R3R4R5R6R7R8R9 R10 C1C2C3D1A1A2PTR0AC 220VCAP3图 2-6 频率和相位测量电路此频率测量电路的原理是将输入的正弦波信号变换成方波信号，再送到80C196MC单片机的EPA功能捕获口，利用方波信号的跳变沿触发单片机产生中断。单片机以测周期的
33、方式，根据相邻两次中断的时间差来测量信号的周期，从而获得信号的频率。图2-6中，电阻R1, R2, R3, R4和电容Cl 及运放Al组成有源滤波电路；电阻R5, R6、及C2 , C3组成带通滤波电路，通过选择合适的参数，可使滤波器的通带中心频率接近工频50HZ。运放A2联接成过零电压比较器形式，采用正反馈接线方式是为了使比较器性能稳定，并满足一定的精度要求。电压、电流变送器指常用PT、CT以及霍尔电流传感器LEM等。通过它们实现主电路的高电压、大电流降压、隔离送至低压信号采集电路，进而进入单片机进行处理。（2）信号输出电路设计主要包括开关量如继电器保护信号等的输出和一些状态信号如指示灯、光
34、字牌等的输出。开关量输出须经过光电隔离器件、驱动电路接入诸如继电器等输出电路中。设计中，利用80C196MC 单片机的P5口及其他口共10路作为标I/O口输出。（3）电压反馈与逆变器稳压电路设计对不间断UPS装置的要求是：不但能不间断地向负载供电，而且还要求它在负载或交流输入电源发生变化时，应具有稳定的输出电压。但是因为整流器的输出作为逆变输入，是经常变化的，同时负载的变化也使得逆变输出出现不稳定。由前面设计可得逆变器相对于直流电源中点 的输出相电压的基波分量1N江苏建筑职业技术学院毕业说明书13为： 由此公式可知输出相电压的基波幅值为 ，2/)(sintUurdNP 2dU因此，只要改变调制
35、深度系数 即可调节逆变器输出基波幅值的大小。在本逆变器控制系统中加入了电压负反馈环节构成闭环系统，通过调节正弦脉宽调制SPWM的调制深度系数来实现输出电压的稳定。并采用了PID控制算法来实现。即将逆变输出与给定值(如220V/380V) 的差值作为调节量，根据逆变输出电压变化的程度，采用不同的比例、积分、微分系数来达到稳定输出的目的。除了这些基本电路模块外，还有同步锁相电路、显示电路、通讯接口电路、系统工作电源电路等，但是这些都不是本设计的重点，这里就不再进行赘述。2.2.6 UPS 逆变器控制软件设计UPS逆变器控制软件采用结构化程序设计方法，即程序由主程序和若干个子程序模块组成，各个子程序
36、模块的功能相对独立。这种模块化设计给程序的编写和功能的扩展带来了方便。主程序完成整个UPS逆变器控制的流程和子程序模块调用等功能。子程序模块完成整个装置的不同功能的实现。它们包括初始化模块、显示模块、数据采集模块、数据处理模块、SPWM脉宽调制波形生成模块、稳压稳频模块、同步锁相跟踪模块、通讯模块、保护模块等。初始化模块的主要功能是完成单片机的有关初始化设置，包括有关端口的选通、功能的选择，通讯工作模式及波特率的设置，以及中断的允许等。显示模块的功能是实时显示UPS输入输出电流、电压值，以及其他状态信息和保护信息等，并和键盘操作相配合，实现保护装置的人机界面。数据采集模块的功能是实现对八路被测
37、信号的不间断循环采样。数据处理模块的功能是根据一定的算法，对采样数据进行处理，从而获得被测信号的基波有效值，作为其他控制和保护的依据。SPWM脉宽调制波形生成模块的功能是生成单相互补正弦PWM波。稳压稳频模块的功能是采用PID控制算法并结合 80C196MC单片机波形发生器WFG的SPWM 波形产生机理进行调节，从而实现电压和频率的稳定。同步锁相跟踪模块的功能是实现逆变器在线工作与后备旁路工作状态的零时间不间断切换。保护模块的功能是根据程序给定的判断逻辑判断UPS电源装置是否有故障发生，从而采取相应的保护措施。通信模块实现UPS主电源装置和上位管理机的通信。UPS逆变器控制主程序流程如图2-7
38、所示:开始初始化设置W a t c h d o g显示处理输入检测保护P I D 控制锁相跟随串口通讯显示更新返回图 2-7 逆变器控制主程序流程图逆变模块总设计图 2-8：江苏建筑职业技术学院毕业说明书14SPWM 80C196MC交交交交交交交交交 交交 交交 交交交交交交交交交交交交交交交 IGBT交交IGBTIN DC交交交交交交交交交图 2-8 逆变器总设计图江苏建筑职业技术学院毕业说明书15三、蓄电池及充电电路设计在 UPS 电源中充电电路的主要作用是为蓄电池提供充电通路，因而本次设计将蓄电池模块及充电模块放在一个章节内进行研究。3.1 蓄电池组模块设计3.1.1 UPS 蓄电池的
39、分类蓄电池是 UPS 系统中的一个重要组成部分，它的好坏程度在很大程度上直接影响着整个 UPS 系统的可靠程度，然而蓄电池却又是整个 UPS 系统中最容易出现故障且维修成本较高的器件，因此作为设计者一定要综合考虑性价比来设计电池组。用户能否正确使用和维护蓄电池是延长其使用寿命的有效方法，应尽量做到：一是注意 UPS 电池组的定期充放电维护，二是避免不必要的频繁开关机，三是不要新旧电池混用。蓄电池的种类一般可分为阀控式密封铅酸蓄电池、胶体电池等。UPS 要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性，目前，在线运行的蓄电池基本上是这两种，不属于铅酸蓄电池。（1）阀控式密封铅酸蓄电池(VRL
40、A)因其体积较小、密封性能好、绝少维护而被广泛应用于各类 UPS 电源中。VRLA 防止电池内部电解液流动有两种技术方法: 一种是将硫酸电解液与 SiO2胶体混合后充满电池内部，制成胶体电池(简称 GEL)。这类产品产量较低，约占 VRLA 电池总量的 15%。另一种是利用超细玻璃棉将电解液不饱和地吸附住，制成吸液式电池或贫液式电池(简称 AGM)。由于后者具有较好的大电流放电性能，在 UPS 系统中较多采用，AGM 蓄电池也是厂家生产的主流。（2）胶体电池胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态，电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言
41、，胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体，从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。又如在板栅中结附高分子材料，俗称陶瓷板栅，亦可视作胶体电池的应用特色。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂，大大提高了极板活性物质的反应利用率，据非公开资料表明可达到 70wh/kg 的重量比能量水平，这些都是现阶段工业实践及有待工业化的胶体电池的应用范例。胶体电池与常规铅酸电池的区别，从最初理解的电解质胶凝，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用推广。其最重要的特点为：用较小的工业代价，沿已有 150 年历史的铅酸电池工业路子制造出更
42、优质的电池，其放电曲线平直，拐点高，比能量特别是比功率要比常规铅酸电池大 20%以上，寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右，高温及低温特性要好得多。当市电运行出现故障后，UPS 的电能全部来自于电池组的供给，而蓄电池所存储的化学能经逆变器转化为电能。标准型的 UPS 一般情况下都有自带的电池，当市电中断后一般可以保持整个系统正常运行几分钟至几十分钟；而长效型 UPS 配有外置电池组，一般能够满足整个系统继续运行很长时间，如果长效江苏建筑职业技术学院毕业说明书16型 UPS 是满载配置则运行时间可达数小时以上。在本设计中需要蓄电池能够在断电后持续供电 30 分钟左右,经对比决定采用多个小容量电池先
43、串后并的设计方法，电池类型选择阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)。3.1.2 电池组的设计（1）单个蓄电池电压的选择蓄电池按单节电压分一般有 12V节、6V节、4V节和 2V节等四种不同形式。一般情况而言，当 UPS 正常工作电压固定后，所选电池单节电压越高，电池组所用的串联电池数量越少，配套电池组的价格也越便宜。如果我们从安全性方面来考虑就会发现，选用的电池单节电压越低，整个系统越安全。我们举个例子来说明明：如果设计采用多个 12V节的电池来串联一个电池组，如果所串联的电池有一节坏了，那么整个蓄电池后备系统就少了 12V，UPS 主机的低压报警功能就有可能开启使整个 UPS 系统不能正常工作。
44、因而为了避免这样的问题我们可以采用多组并联来达到 UPS 系统要求，即便电池组中的某一组出现了问，其他组的电池仍然可以正常运作，从而保证系统的正常工作。蓄电池必须在一段时间内供电给逆变器，并且在额定负载下其电压不应下降到逆变器所能允许的最低电压以下。由于蓄电池的实际可供使用容量与放电电流大小蓄电池工作环境温度蓄电池存储时间的长短负载种类和特性（电阻性电容性电感性）等因素密切相关，只有在充分考虑这些因素之后，才能正确选择和确定蓄电池可供使用容量与蓄电池标称容量的比率。蓄电池的最大放电电流如下：(3-1)iEPIcosP:UPS 的标称输出功率；:负载的功率因数，一般取为 0.7；cos:逆变器的
45、效率，一般也取为 0.8；:蓄电池放电终了电压，12V 的电池取 10V，2V 的电池取 1.67V。iE本课题所要求的 UPS 的标准输出功率为 10KV，逆变器输出的额定直流工作电压为 220V，蓄电池能够在断电后持续供电 30 分钟左右。所以蓄电池组选择由 20 块 12V 的单元电池串联而成 （电池组的标称电压为：2012=240V） ，该蓄电池组的临界放电电压 临界为 2010=200V。根据iE公式计算出：(3-2)AVKI48.0721则 3 小时备用时间的电池容量：(3-3)HtC13江苏建筑职业技术学院毕业说明书17因此可以选用 12V 33Ah 电池的 20 块串联形成一组
46、电池组，共 4 组并联，构成的总容量为 132Ah 的并联电池组.由于在刚才的计算中使用 临界 电池的最低界放电电压值，所以会iE导致所要求的电池组的容量偏大的局面。之所以出现这种现象是由于电池在刚放电时所需的放电电流时显小于 I 最大的缘故。按目前的使用经验，可在上述计算值的基础上再乘 0.8 校正因数。基于上述原因：我们可以选用132Ah0.8=105.6Ah，取标称值 120Ah 容量的电池组就能满足用户的 UPS 供电系统的要求。因此可以选用 12V 40Ah 电池的 20 块串联形成一组电池组，共 3组并联。3.2 充电电路的设计3.2.1 充电方式的选择蓄电池与逆变器对直流电源的要
47、求不同：逆变器要求直流电源提供稳定电压；蓄电池要求直流电源提供的电压能随着蓄电池的充电过程而变化。为了解决蓄电池、逆变器对直流电源的不同要求，故 UPS 分别设置整流器及充电电路。根据 UPS 容量大小、工作方式不同，充电电路可分为恒压充电、恒流充电、分级充电等电路。对于小型在线式 UPS 系统而言，充电电路一般选择恒压充电和恒流充电这两种方式。虽然恒压充电电路具有电路简单、成本低廉等优点，但在这种充电电路中，蓄电池组初期充电电流较大，对蓄电池的寿命有一定影响。所以在线式 UPS 中一般采用分级充电电路，即在充电初期采用恒流充电，当蓄电池端电压达到浮充电压后，再采用恒压充电。本次设计电路属于分
48、级充电电路。在线式 UPS 蓄电池的典型充电特性如图 3-1 所示。这种充电电路的优点是可以使蓄电池的充电基本上沿着理想的充电曲线进行，从而延长蓄电池的使用寿命。恒流 恒压充电电压充电电流ui图 3-1 在线式 UPS 蓄电池理想充电过程江苏建筑职业技术学院毕业说明书18对于端电压为 12V 的蓄电池，正常的浮充电压为 13.513.8V 之间。浮充电压过低，蓄电池长期处于欠充电状态，浮充电压过高，会造成蓄电池长期处于过电压充电状态。浮充电压超过 14V，即认为是过电压充电。此设计中要求 S=10KVA 采用 12V 蓄电池，采用容量为 40AH 的蓄电池该UPS 的蓄电池组额定电压为 240
49、V，浮充电压为280V（1213.5V）(1213.8V)之间。电源电路如图 3-2 所示：+ _ZLR1 R7300K20KR111K15R1027KRS 3.3K1M2.7KC1 C2 +220F25VZD19.1VZD29.1V110VL1 2.5K5WVDVMUC38421345678 2U1C6 0.02F0.022F 0.022FRW U0+ 15F250VU2R5图 3-2 小型在线式 UPS 充电电路这个充电电路实际上是一个具有限流稳压功能的开关电源，该电路的工作原理如下：变压器将电网电压由 220V 降到 110V，经整流滤波后变成 140V 的直流电压 U1,这个电压分成了两路：一路经 R1 降压和 ZD1、ZD 2 稳压后，得到18V 左右的电压 U2,加到电源控制组件 UC3842 的 7 端,作为该组件的辅助电源；另一路经电感 L1 后加到场效应管的漏极。场效应管也是工作在开关状态 ,不过工作原
