不间断电源UPS的设计毕业论文.docx
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不间断电源UPS的设计毕业论文目录
摘 要 错误!
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第一章绪论 1
一、UPS的发展历史 1
二、UPS的分类和结构 1
(一)动态式UPS工作原理 2
(二)静止式UPS工作原理 2
三、本章小结 5
第二章UPS的总体结构及原理 6
一、本设计参数 6
二、系统结构图和原理 6
三、本章小结 8
第三章电池升压电路设计 9
一、电路设计 9
(一)主电路设计 9
(二)控制电路设计 11
二、电路仿真 16
(一)系统电路图 16
(二)输出电压波形图 17
第四章 逆变电路设计 18
一、电路设计 18
(一)主电路设计 18
(二)控制电路设计 19
二、逆变总电路仿真 29
(一)逆变总电路系统仿真电路图 29
(二)输出电压波形图 30
三、SPWM脉冲的实现 30
(一)EG8010简介 30
(二)EG8010引脚介绍 31
(三)EG8010应用设计 32
四、本章小结 34
第五章 电池充电电路设计 35
一、电路设计 35
(一)主电路设计 35
(二)控制电路设计 37
II
二、电路仿真 41
(一)恒流充电过程 41
(二)恒压充电过程 43
三、本章小结 44
结论 45
致 谢 错误!
未定义书签。
参考文献 46
外文原文 47
附录:
系统总电路图 61
第一章绪论
一、UPS的发展历史
早期的UPS装置是采用柴油(或汽油)发电机—电动机—发电机组来实现电能变换,其设备笨重,占地面积大,。
后来随着晶闸管的推广普及,使UPS装置摆脱了大量的机组设备,因此晶闸管控制的UPS迅速发展,逐渐取代了发电机—电动机—发电机组式的UPS装置,但因晶闸管没有自关断能力,因此每只晶闸管需要配备换向单元电路,因此仍然使系统庞大而笨重。
从80年代以后,全控型器件蓬勃发展,这些器件开关速度快,控制驱动方便,因此成为UPS装置的最佳选择。
由这些器件制作的UPS装置重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活,使UPS装置进入一个新的时代。
目前,国内外学者都对UPS开展了广泛的研究工作,各种先进的控制技术被引入。
在此基础上,许多国外知名UPS生产厂商,如山特、梅兰日兰、APC等,纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数字化、智能化、网络化于一身的新一代UPS。
于此同时,作为UPS消费大国的中国,不论是大功率市场还是小功率市场,我国的国产UPS市场占有率都小于50%,甚至30%都不到。
由此可见,与国外相比,我国在UPS研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。
对我国来说,UPS的研究更为紧迫。
二、UPS的分类和结构
所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时,它可以继续向负载供电,并能够保证供电质量,使负载供电不受影响。
这种供电装置称为不间断电源装置,或者称为不间断供电系统,简称UPS(UninterruptiblePowerSystem)。
不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型,即直流不间断供电系统和交流不间断供电系统,但习惯上人们总是将交流不间断供电系统简称为UPS。
正因为如此,本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为UPS。
不间断电源通常分为动态式UPS和静止式UPS。
随着技术的进步和发展,动态式
UPS逐渐被淘汰,静止式UPS逐渐成为主流。
本文主要介绍了静止式UPS。
静止式UPS
又可分为在线式UPS和后备式UPS。
12
(一)动态式UPS工作原理
所谓动态UPS就是指供电不间断是靠动能来实现的,也就是早期的采用柴油发电机
—电动机—发电机组来实现电能变换的装置,其结构如图1.1所示。
当电网供电正常时,交流电驱动交流电动机旋转,从而带动交流发电机和同轴的惯性飞轮同速运转,由发电机发电供给负载。
当电网电压出现波动或某些尖峰干扰时,由于惯性飞轮的作用,较短时间的电压波动或短时间干扰并不影响惯性飞轮的正常运转,从而保证了负载上电压的稳定性;一旦电网供电间断,电动机就停止运转.这时发电机依靠同轴飞轮上所储存的巨大动能而继续发电,使负载的供电时间得以延长,以便现场工作人员保护现场。
但在这种方案中,依靠动能储存的飞轮延长市电断电时的供电时间势必受到限制。
动态UPS需要较多的电机设备,因此成本比较高,而且设备笨重,随着静止式UPS
轮飞
市电
电动机
发电机
载负
的发展,动态UPS逐渐被代替。
图1.1 动态UPS结构图
(二)静止式UPS工作原理
静止式(静态)UPS与动态(旋转式)UPS相比较而言,没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体,它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。
现在人们概念中的UPS均是静止式UPS。
静止式UPS的经典方案如图1-2所示,其原理是:
电网正常时,市电经整流器变成直流,再经逆变器将直流变成交流,后经转换开关送给负载;在电网异常时,由蓄电池给逆变器提供直流电能,经逆变器变成交流后送给负载;当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时,可经过转换开关将市电旁路给负载。
对静止型UPS而言,按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式(offline)两种,但无论是后备式还是在线式UPS,其基本结构大体相同,只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。
下面简要说明在线式和后备式UPS的异同点。
1.在线式UPS工作过程
在线式UPS的工作过程如图1.2所示。
电网正常供电时,交流电经输入变压器后,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,经逆变器变成交流后送给负载。
能量流动的过程是:
电网、变压器、整流器、逆变器、负载。
电网供电异常时(过压、欠压、断电),保护电路将切断输入市电与UPS的联系,让蓄电池为逆变器提供直流电能。
能量流动的过程是:
蓄电池、逆变器、负载。
由上述可见,在线式UPS就是指电网正常供电时,电网一方面对蓄电池充电,另一方面经过UPS内部处理和变换后再送给负载;电网停电或供电异常时,由蓄电池向逆变器提供电能,保证负载供电不间断。
在电网供电转为电网中断、蓄电池供电时,负载供电没有任何中断。
当然,这是UPS内部无任何故障时的情况。
若UPS内部任何一个单元出现故障,则控制电路可使转换开关实现旁路输出。
这样的转换一是有转换时间(供电有间断),二是此时市电必须不中断,否则负载供电就无保障了。
为了使转换过程不影响负载工作,应该使转换时间尽可能短,考虑到较大的滤波电容的储能作用,转换时间一般应小于3ms。
在线式UPS的的性能优于后备式UPS,体现在在线式UPS可以没有转换时间,同时在线式UPS对电网电压进行整形处理,因此正常工作情况下,其供电质量优于电网。
但在线式UPS的成本高于后备式UPS。
因此在线式UPS用于电能质量要求比较高的场合。
旁路开关
输出
电网
变压器
整流器
逆变器
充电器
图1.2在线式UPS结构框图
2.后备式UPS工作过程
后备式UPS的工作过程如图1.3所示。
电网供电正常时,电网一方面经变压器至充电器给蓄电池组充电;另一方面经变压器和旁路开关(K接B点)送给负载。
供电异常时,控制电路立即切断电网与负载的联系,同时起动逆变器并使K由接B
转为接A,继续由蓄电池提供电能向负载供电。
这时的能量流向和在线式是一样的,只是转换为蓄电池输送电能这个过程和在线式
UPS有区别,即在线式UPS当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换时间,而后备式UPS存在一定的转换时间,这种转换时间和在线式UPS中的转换旁路时间一样,一般希望其愈短愈好。
通过上述可见,后备式UPS就是指电网正常供电时,电网通过旁路开关直接送给了负载,同时也给UPS的蓄电池充电。
送给负载的是没有经过UPS加工和处理的电网的电,供电质量明显不及在线式UPS的供电质量好。
在电网供电出现异常时,才启动UPS内部的逆变器工作,将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载。
后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样,但在电网正常供电时,在线式
UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好,这主要是说在线式UPS的输出是稳压、稳频的,而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。
不但如此,在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时,在线式UPS没有转换时间,后备式UPS是有一定的转换时间的。
因此从工作方式和供电质量上看,电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程,在线式UPS的性能优于后备式。
有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置,有的在输出变压器上增加了一些抽头,以实现对输出的简单稳压,使其产品的性能有所改善,但终究和在线式还有一定差距。
输出
电网
变压器
旁路开关
充电器
逆变器
图1.3 后备式UPS结构框图
三、本章小结
本章主要介绍了UPS的发展历史,结构,分类和基本原理。
UPS的发展历程从柴油
(或汽油)发电机—电动机—发电机组式UPS到晶闸管控制的UPS,再到使用全控型器件的UPS。
UPS的结构分为动态式UPS和静止式UPS。
静止式UPS又可分为在线式UPS和后备式UPS。
现在动态式UPS已经逐渐被静止式UPS所代替。
UPS一般都由变压电路,整流电路,逆变电路,充电电路和旁路电路组成。
其基本工作原理是在电网正常时由电网对负载供电,电网电压异常时由蓄电池供电。
第二章 UPS的总体结构及原理
一、本设计参数
本文设计的是静止型不间断电源,而在线式和后备式相比,有着明显的优势,所以本文设计在线式的UPS。
其技术性能如下:
(1) 输入电压:
单相两线制220V、50Hz交流电压输入电压范围:
220V土10%
输入频率范围:
50Hz土5%
(2) 输出电压:
单相220V、50Hz交流电压电压稳定度:
220V土2%
频率稳定度:
50Hz土0.5%
(3)额定功率:
500W
(4)蓄电池组:
采用松下UP-VW1220铅酸蓄电池(12V)2块满载工作时(500W):
蓄电池组能维持3min
半载工作时(250W):
蓄电池组能维持10min
供PC工作(100W):
蓄电池组能维持30min
二、系统结构图和原理
如图2.1所示,系统分为4个部分:
电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路。
电池升压电路的结构是隔离型推挽式直流—直流变换电路。
通过控制变压器原边的两个桥臂的开启和关断,将电池电压(24V)升高到400V,作为逆变器的直流源。
逆变电路采用全桥式逆变桥电路,利用PWM技术控制开关管的开启和关断,再通过输出滤波器滤除高次谐波,最终得到正弦基波。
电池充电电路是一个反激式开关电源电路,通过控制开关管的开启和关断,实现电池的三阶段充电:
当电池电压低于27.4V时,以恒定电流的方式对电池快速充电,当电池电压高于27.4V时,开始以恒定电压对电池充电,最后随着充电电流的减小,电池进入浮充阶段。
旁路电路是用一个双触点的继电器实现
的。
AC-DC变换:
将电网来的交流电经全波整流、滤波变为直流电压,供给逆变电路。
AC-DC输入如果有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。
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。
如果采用高频调制限流技术及快速短路保护技术,可以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。
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,如果采用静态和动态双重电压反馈,可以极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。
UPS电源包括了两种类型:
在线式、后备式。
在线式UPS工作原理是输入的市电经整流滤波后,一方面经逆变后变成纯净的50Hz、
220V交流电压输出;另一方面经充电器输出直流电给电池组充电,在市电中断时,由电池组经逆变电路逆变成220V、50Hz的交流电输出,零时间自动转换,有效地保证输出不间断的电源,全面解决市电中存在的电源故障,提供高层次的电源保护,适用于保护关键系统、重要数据,被广泛应用于数据中心、大型网络、行业系统(金融、邮电、医院、电力、航天航空、军事等)。
后备式UPS在市电供电时由旁路开关直接输出,只有当市电断电时,电池组经逆变电路逆变成220V、50Hz的交流电路输出。
直流
300V
直流
24V
单端反激式开关电
整流电路 源
S2
直流
400V
推挽式DC/DC变换 全桥式逆变
S1
交流220V输入
交流220V输出
图2.1UPS系统结构图
正常工作情况:
旁路开关S1闭合,S2断开。
电网电压分为两路,一路通过S1供负载使用。
第二路经过整流电路变为直流300V,300V经过反激式开关电源得到大约直流24V给电池充电。
当电网断电时:
旁路开关断开S1断开,S2开启。
此时直流24V电池电压通过S2和电池升压电路变换变为直流400V,送到全桥式逆变电路,逆变后供负载使用。
三、本章小结
本章主要介绍了UPS的设计参数,系统结构图和基本原理。
本设计要求在电网电压为交流220V左右的输入情况下,输出也为220V左右的正弦交流电,负载额定功率为
500W。
在电网断电时,UPS可以为负载供电几分钟。
系统可以分为电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路四个部分。
电网正常工作时,电网电压分为两路。
一路供负载使用,第二路经过整流电路变为直流300V,300V经过反激式开关电源得到大约直流24V给电池充电。
电网工作异常时,此时直流24V电池电压通过S2和电池升压电路变换变为直流400V,送到全桥式逆变电路,逆变后供负载使用。
第三章 电池升压电路设计
本设计的目标是完成从直流24V到直流400V带隔离变压器的DC/DC变换。
将24V的电池电压升高到400V,做为逆变器的直流电源。
现拟采用下图3.1所示的电路图,它由带隔离变压器的推挽式DC-DC变换电路和输出滤波电路组成,输出滤波电路为LC低通滤波器,现分析整个电池升压电路的基本工作原理。
平稳的直流电压(24V)供给高频变压器的原边。
两个开关管和高频变压器共同组成了带隔离变压器的推挽式DC/DC变换器,通过开关管的轮流导通,在变压器副边绕组两端分别形成相位相反的交流电压,变压器的副边交流电压经过二极管整流,然后经一个倒L型低通滤波电路,得到稳定的直流输出电压。
一、电路设计
(一)主电路设计
1.高频变压器设计
本设计要求输出电压U0为400V,开关管的占空比最大值定为Dmax=0.3。
所以,高频变压器的次级输出电压U次应能够在最大输出占空比的情况下,保证输出电压为400V,
U Uo
次 2 D
max
400
2 0.3
667V
(3.1)
高频变压器初级输入电压
U初
24V
(3.2)
由此可得高频变压器的匝数比
n U初
U次
24 1
667 28
(3.3)
输出功率为
Po 500W
(3.4)
图3.1电池升压电压主电路结构图
2.输出滤波电路的设计
a.滤波电感:
一般工程设计算法中,要求输出电流的最大脉动量i为最大输出电流的20%,因为
i Io
20%
1.25
0.2
0.25A
(3.5)
则:
L UL t
i
40030.25
6.4mH
(3.6)
b.电容的选择根据工程经典值
3.主开关元件设计
C 500uF
(3.7)
场效应管是一种体积小、重量轻、耗电省、寿命长,利用电场效应来控制电流大小的半导体器件,这种器件有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因而获得了广泛的应用。
场效应管的开关频率可以非常高,因此在高频的情况下,使用场效应管比IGBT更加符合要求。
同时场效应管为电压驱动型器件,因此驱动电路简单。
与二极管的选型类似,主开关器件的选型,主要是确定开关器件的正向平均电流和正向电压峰值。
根据全桥式DC-DC变换器的特点,每个开关管的承受的电压为Ui,即:
Udsp Ui
24V (3.8)
额定电压一般取为正常工作时MOSFET所承受峰值电压的2~3倍,即:
UDS
(2~3)
Udsp
3 24
72V
(3.9)
确定了MOSFET的峰值电压,还需要计算开关管工作时的平均工作电流,输入电流:
Iin
500/24
21A (3.10)
则:
IV 0.5
Iin
0.521
10.5A
(3.11)
额定电流为正常工作时的2~3倍,即:
ID (2~3) Iv
25A
(3.12)
4.整流二极管设计
每个二极管承受最大反向电压为高频变压器次级输出电压U次,即667V。
额定电压一般取为正常工作时所承受峰值电压的2~3倍,此处选取800V,每个二极管工作时平均电流为输出电流的0.5倍,即0.625A,额定电流为正常工作电流的2~3倍,此处取为1.5A。
可选用东芝3JH61,耐压800V,额定电流3A,反向恢复时间0.5μs。
(二)控制电路设计
1.UC3825简介
UC3825是一款针对开关电源的高频率高效率PWM控制芯片,它使用电压控制模式,其最高工作频率可达1MHz,带有基准电压输出、软启动和过流保护模块。
其脉宽比较器的输入端可以用负载输出的电压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。
使用UC3825的开关电源的电压调整
率、负载调整率和瞬态响应特性都较高。
因此UC3825是比较理想的PWM控制芯片。
2.UC3825的引脚功能
(1)引脚1(INV):
闭环系统中接反馈信号,为误差放大器反相输入端,用于形成电压比较电路。
(2)引脚2(NV):
此脚为与INV端行比较的误差放大器同相输入端。
通常是设置的基准电压。
(3)引脚3(E/AOut):
与INV端构成比例积分反馈电路的误差放大器的输出端。
(4)引脚4(Clock):
两片PWM芯片链接运行时,提供给芯片同步时钟信号的时钟输出端。
输出与震荡频率一致的时钟信号。
(5)引脚5和引脚6(CT和RT):
这两脚设置芯片的工作时钟,通过接不同的电容和电阻,形成不同的锯齿波信号。
(6)引脚7(Ramp):
此脚为斜坡补偿端。
(7)引脚8(SoftStart):
此引脚接一个电容,在整个电路上电时可以抑制电路的冲击电流,为软启动端,有保护功率元件的作用。
(8)引脚9(ILIM/SD):
此引脚具有过流保护的功能,只要将输出电流反馈至此端,当电源输出短路情况或者输出电流过大出时,即一旦超过内部设定值,芯片可以迅速封锁输出,让整个电路处于关闭状态。
(9)引脚10,引脚13和引脚15(Gnd,PwrGnd和Vcc):
这些脚分别接信号地,功率地,和电源电压。
(10)引脚11和引脚14(OutA和OutB):
这两脚输出互补的高低驱动脉冲信号。
(11)引脚13和引脚16(Vc和Vref):
引脚13是为了能够获得足够的驱动能力或者
配合不同的驱动电压等级设置的驱动电路的电压输入端,设计者可以随意调整。
引脚16
为稳定的5.1V基准电压输出端。
3.UC3825的工作原理
UC3825的内部电路包含多个功能的子模块,有锯齿波和时钟产生,误差放大与比较,电源和内部故障检测,软启动,过流保护和输出逻辑控制驱动等模块。
a.锯齿波和时钟产生模块。
引脚5接芯片内部3V的稳定电压,引脚6接芯片内部的一个恒流源。
如果引脚5和对地端接上一个电阻,电阻上就会流过电流Ir,芯片内部经过检测引脚5上的电流而产生一个与之一样的恒定充电电流Ic=Ir。
如果在引脚6和对地端接一个电容,这个充电电流Ic就对电容C进行恒流充电,CT端电压就会呈线性的斜坡增加,在刚开始的时候,引脚6端电压较低,与之连接的电压比较器输出为低电平,
图中的两个三极管截止。
可是当引脚6端的电压大于迟滞比较器的预定值时,电压比较器的输出跳变为高电平,使两个三极管迅速开通,与引脚6连接的三极管使电容C中的电荷迅速释放,与引脚4连接的三极管开通,Clock端就输出高电平。
当外接电容的电压降至使迟滞比较器的输出为低电平后,两个三极管截止。
然后外接电容重新进行恒流充电,电路进入下一个工作周期,线性度良好的锯齿波信号就是在这样过程中不断产生的。
b.误差放大与比较模块,由引脚1,2,3连接成的一个反相误差放大器和一个电压比较器组成。
电压比较器通过误差放大器将电路输出的电压信号转换后与引脚7接入锯齿波
电压相比较,随之输出高低电平。
由此可得:
比较器输出的高低电平时间是由误差放大器的输出电压与锯齿波电压相比较决定的。
若误差放大电压越小,比较器输出的高电平时间越长,反之越短。
c.电源欠压保护和内部故障检测模块。
两个电压比较器组成了此模块的功能。
电源欠压保护通过输入电源电压与一个9V的稳定电压进行比较实现,内部故障检测通过由稳压器得到的基准电压与一个4V电压进行比较实现。
只有当电源电压和基准电压都正常稳定时,后方电路才正常工作,从而使芯片正常工作。
如果有一个电压不稳定,后方电路就会使输出驱动电路停止工作,从而达到保护主电路的目的。
d.软启动模块。
因为整个电路刚上电的瞬间,电路输出电压值很小,反馈给给误差放大电压值比较大,误差放大的电压接近饱和,进而使输出端的占空比接近最大,使驱动电路输出电压极高,形成很大的冲击电流,很有可能会损坏开关器件。
软启动模块是就是在引脚8外接一个充电电容,使该脚上的电压不能突变为0V。
在电路刚上电时封锁了误差放大器的电源地,使误差放大器在这一瞬间丧失作用。
然后芯片内部的恒流源持续对引脚外接的电容进行充电,使“inhibit”
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