小功率UPS供电系统设计方案

湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 1 小功率 电系统设计方案 第一章 小功率 电系统设计简介 质、高效、可靠的交流电能的重要外部设备，并且具有保护和检测监控功能的供电设备，对于计算机及其网络、通信、金融、电力、交通、国防及高等院校、科研院所等部门的供电起着关键的作用。 介 不间断电源是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时， 市电稳压后供应给负载使用，此时的 时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， 即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应 220V 交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。 不间断电源工作原理框图 部分组成：整流、储能、变换和开关控制。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，本身具有可根据湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 2 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，对整流器来说就像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 源系统的日常操 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， 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。 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 源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足 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。 计目的 有的时候，正在写一段文章，或者编一个程序，或者在用画笔画一幅画，突然屏幕一下子黑了 停电了。哎，里面的东西都不见了，白干了半天，连存盘的机会都没有。要是搞科研的科学家也遇到这样的情况，损失就更大了。能不能想个办法，使电脑继续工作，或者在市电停止的时候，机器能在短时间内保持一段时间的电，使人们有机会把已经干完的工作存盘，以便下一次接着工作呢？办 法一，买一台发电机，这种方法对于一般用户来说是比较困难的；办法二，买一台 个方法较为容易实现。 据 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 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 十分湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 3 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的，以服务器为核心的网络中心要配备 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 是十分必须的。 综上所述，设计一个小功率 电系统，来满足对电能质量非严格要求的供电场所如个人家庭用户等的不间断供电需求是非常有必要的。 计要求 主要研究小功率 设计原理及简单设计，设计方案采用 备式工作状态，对非严格要求的供电场所提供较为优质的不间断电源系统，防止突然断电而影响正常工作或是给机器造成损害，论文着重对 电设计方案中的整流滤波电路部分、逆变电 路部分、蓄电池部分进行介绍和分析，对该 功率的供电系统进行简单的介绍，包括其功能、用途、工作方式等，根据已掌握的知识对小功率 且能满足非严格要求的供电场所不间断供电的要求，通过针对 各不同工作方式进行比较分析，并根据设计要求进行方案设计，其电路主要参数：输入电压：单相 220V 20%；输入频率： 505% ；输出电压： 220V；输出频率： 50 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 4 第二章 源分析 源发展历史 最早的 东西：采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮的电动机 发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，市电停电后该发电机可以维持正常供电数秒钟。现代的逆变式 世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲，它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。随着蓄电池和半导体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的立分元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如软件滤波 器；甚至光纤通讯也被引入 且，微处理机也已被广泛应用于小容量的 ，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。 随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的 再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心， 最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的 身融合了多种新技术， 仅是提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备在无人值守时，当市电故障后， 以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或 现代的 能实现事件记录、故障告警、 节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。现在有些 度和烟雾等进行监视。 色 。“绿色 以减少 统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色 检测到打印机长时间空闲后 ,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时， 着“绿色 出现，为节约能源又提供了理想的解决方 案。 源工作原理 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 5 源主要由主机及蓄电池、电池柜等组成，分为在线式、后备式及在线互动式等多种，根据频率分高频机和工频机，它在机器有电工作时，就将市电交流电整流，并储存在自己的电源中，一旦停止供电，它就能提供电源，使用电设备维持一段工作时间，保持时间可能是 10分钟、半小时等，延时时间一般由蓄电池的容量决定。 高可靠性不间断供电 保证动力的连续性 电网稳压、净化功能 消除电网波动、污染 电池管理功能 延长电池使用寿命 智能监控功能 有效解决电源维 护功能 电路结构形式多种多样，各种结构形式 出现和电路技术水平、半导体器件的发展水平以实际应用的需要等因素有密切的关系。技术不断进步、电路结构不断更新和完善以及多种电路结构形式并存，各不同电路结构形式的 有各自的优点及应用场合，当前市场上普遍应用的主流 括后备式、在线互动式、在线式，以下对这几种电路形式的 电路结构特点、工作方式、主要电性能指标和应用对象做简单说明。 在线式 在线式 运作模式为“市电和用电设备是隔离的， 市电不会直接供电给用电设备”，而是到了 兵分两路，一路为电池充电，另一路则转回交流电，供电给用电设备，市电供电品质不稳或停电时，电池从充电转为供电，直到市电恢复正常才转回充电，“ 用电的整个过程是全程介入的”。其优点是输出的波型和市电一样是正弦波，而且纯净无杂讯，不受市电不稳定的影响，可供电给“电感型负载”，例如电风扇，只要在 出功率足够的前题下，可以供电给任何使用市电的设备。 性能特点： 市电正常时，工作效率极高，可达 98%以上； 输入功率因数和输入电流谐波成分取决 于负载性质，它本身不对电网附加谐波干扰； 输出能力强，适应各种阻抗性质的负载，对负载电流波峰系数、浪涌系数、输出功率因数和过载能力等没有严格要求； 输出电压精度和稳定度均差，但能满足一般负载的供电要求； 逆变器直接接在 出端，并处于热备份状态，对输出电压尖峰干扰有一定的抑制作用； 电路简单、成本低、可靠性高； 变换器同时具有充电功能，且其充电能力很强； 因为输入开关存在断开时间，所以 比后备式要短，一般为 4 6 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 6 后备式 后备式又称为非在线式不间断电源（ 它只是“备援”性质的 电直接供电给用电设备也为电池充电（ 一旦市电供电品质不稳或停电了，市电的回路会自动切断，电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务（ 直到市电恢复正常，“ 不过从直流电转换的交流电是方波，只限于供电给电容型负载，如电脑和监视器。 后备式 静止型 最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只应用于小功率供电的范围，其特点是电路简单，可靠性高，价格低廉，电性能指标能满 足一般负载要求。 对于计算机负载输入开关电源而言，方波和准正弦波都是可用的。因为开关电源的输入电路是整流滤波电路，只要方波和准正弦波电压的幅值接近正弦波电压的峰值，那么这两种波形整流后的直流电压都是一样的。市电正弦波的三个重要参数是频率、峰值和有效值，准正弦波的这三个参数可以做到与正弦波电压完全相同，对于计算机输入开关电源而言，它无异于真正的正弦波。在正弦波输出电压和准正弦波输出电压所形成的输出电流波形的面积一样的情况下，正弦波输出时的输出电流幅值高而时间短，准正弦波输出时的电流幅值小而时间长。再者，准正弦 波输出时的逆变器工作在低频状态，而正弦波输出逆变器工作在高频状态，所以相对于正弦波输出，准正弦波输出使 变器的控制电路简单易行，对逆变器开关器件的性能要求低，逆变效率和可靠性都高一些。 性能特点： 市电正常时，工作效率极高，可达 98%以上； 输入功率因数和输入电流谐波成分取决于负载性质，它本身不对电网附加谐波干扰； 输出能力强，适应各种阻抗性质的负载，对负载电流波峰系数、浪涌系数、输出功率因数和过载能力等没有严格限制； 输出电压精度和稳定度均差，但能满足一般负载的供电要求； 抗高频干扰的功能 主要靠输出、输入端设置的高频滤波器； 市电掉电后，电池逆变输出电压多为方波或准正弦波；市电掉电时输出电压切换时间取决于继电器转换开关的动作时间，一般为 4 10 输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制，一般的后备式 出功率多在 2A 以下； 电路简单，可靠性高，价格低廉。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 7 第三章 小功率 电系统方案设计 对比上述两种 作方式及主要电性能指标、应用对象的说明和比较，根据设计要求和目的，基于后备式的各个性能特点及价格方面在小功率的应用场合 优于在线式，故设计采用 备式工作方式。以下对后备式供电系统中几个主要电路及技术进行分析和介绍。 流滤波电路部分 在 入电路的第一个环节就是整流器 /充电器，不过小功率的整流器和充电器是分开的，在对 常有必要对整流滤波电路进行分析。 由于变化多端的市电输入后，首先由整流器进行加工，所以掌握整流器中电流的流向和一般计算方法，知道几种整流的区别及特点，对于正确使用 判断故障是很重要的。 单相半波整流滤波电路 如上图示为单相半波整流滤波电路原理图， 由于整流器具有单向导通的特性，所以输入电压 二极管 流后就变成了单相脉动波 而输入的负半周被隔离掉。一般整流器后面都有电容滤波器，如上图中 C 将脉动波变成直流波 U c 。 单相全波整流滤波电路 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 8 单相半波整流电路一般都用于小功率的情况，当功率稍微增大时必须用全波整流。上图所示为单相全波整流电路原理图及整流波形图，不难看出，这是两个单相半波整流器的组合，电路前增加变压器，目的是为了使次级电压可以根据设计的要求随意变换。 单相桥式整流滤波电路 如上图所示为单 相桥式整流滤波电路原理图，这种整流工作方式和前两者不同，前两者的工作过程中电流在每半波只流过一只整流二级管，而这种工作方式下每半波的电流流过两只整流二极管。 综合讨论上述三种整流滤波电路，均非常简单，但是各有特点。全波整流虽然只用了两只二极管，但是却多用了一组变压器绕组，且要求二极管反向耐压值为输入电压峰值的二倍，单相桥式整流电路虽然多用了两只二极管，却少用了一组变压器绕组，对二极管反向耐压的要求也低了一半，因此，虽然后两种电路都是输出全波，但综合各自优缺点，最终选用单相桥式整流滤波电路。 关电源部 分 部分组成：整流、储能、变换和开关控制。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，频率稳定度湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 9 取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便 源系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， 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。 开关电源原理图： ，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 通常负载功率应满足 0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。 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，工作时间当储能电池满容量时为 2小时，半容量为 1小时。 变电路部分 在逆变器中，完成直流变交流的电能前向主通道为逆变主电路，它主要由功率开关元件，变压器及电解电容等构成，通过控制功率开关元件有规律的通和断，使电流按预期的途径流通而实现直流到交流的变换。 单相全桥式逆变电路 单相全桥式逆变电路的基本结构如下图所示。 它主要由直流电源 E、输出变压器 T、四个功率开关器件组成。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 10 工作原理：在如图所示的电路中，首先令 控制电压为负值，使 止，令 控制电 压为正值，使 流的流通路径为： E 压器初级 E。如果忽略两个导通管的管压降，则变压器初级电压为 ，变压器次级电压为 1，其中 级匝数。 接下来的时段关断， 通，电流流经路径为： E 压器初级 E。使电路按上述方式周而复始地工作，则可在变压器次级获得交变的电压，从而实现直流变交流的功能。 单相推挽式逆变电路 单相推挽式逆变电路主要是由直流电源 E、输出变压器和 功率开关器件 组成，在这种结构的电路中，要求两个初级绕组的匝数必须相等，即 2。 工作原理： 替导通，当 通而 止期间，忽略管压降，则变压器初级电压为 ，变压器的次级电压为 1,受的电压为 2E。当 断 导通时，变压器初级等效串联电感维持原电流不变，因而导致初级绕组的电压极性与 通时相反，即 组的“ 1”端为正，而“ 2”端为负， 组的“ 2”端为正，而“ 3”端为负，故该等效电感的能量只能通过 流电源 E 反馈。 当 通而 止期间，则变压器初级电压为 E，变压器的次级电压为 3E/间 电压为 2E，当 断 导通时变压器初级等效串联电感的能量只能通过 直流电源 E 反馈。 此后，使电路按此规律周而复始地工作，则可在变压器次级获得交变的输出电压，实现直流变交流的功能。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 11 单相半桥式逆变电路 单相半桥式逆变电路是由直流电源 E、分压电容器 率开关器件 输出变压器 T 等所组成，其电路结构如下图所示。 工作原理：在 说明半桥式逆变电路的工作原理之前，要明确的是电路中的分压电容器 容量相等，即 时，假设电容器的容量足够大以至于在电路工作过程中 端电压几乎不变，即此时有 。下面说明电路的工作原理。 首先，令 0， 0， 通， 止。期间， 电，其路径为 压器初级绕组 ，电容器 电，其路径为 E+ 压器初级绕组 E ，前面已经假定，在 不变的前提条件下，变压器的初级两端电压 E/2。 在 断而 导通前这段时间，电路中“ 1”端和“ 2”端间的等效串联电感通过 电容 放能量。 在接下来的时刻， 0， 0，于是 通， 止。期间，电容器电，其路径为 E+ 压器初级绕组 E ，电容器 路径为变压器初级绕组 。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 12 在 断而 导通前这段时间，电路中“ 1”端和“ 2”端间的等效串联电感通过 电容 放能量。 通过对单相推挽式逆变电路的分析可知，若在直流电压 E 和输出功率相同 的条件下，该电路与全桥式逆变电路相比较，虽然少用了两个功率开关器件，但是所用的器件的耐压值却要高一倍，而且变压器的初级要有中心抽头，这给变压器的制作增加了难度。但是由于小型 的蓄电池组电压较低，功率开关器件耐压值就算取 4 倍的直流电压值也不过几百伏，加上推挽式逆变电路的变压器初级回路只有两个功率开关管，因而其功率开关管的导通损耗比全桥电路的少，所以在小功率 电电路部分 在介绍蓄电池充电电路之前，先介绍蓄电池的充电电压、充电电流、充电 方式。 充电电压：由于 电池属于备用工作方式，在市电正常的情况下处于充电状态，只有停电时才会放电，为延长电池的使用寿命， 充电器一般采用恒压限流控制方式，蓄电池充满后即为浮充状态。 对于端电压为 12V 的蓄电池，正常的浮充电压在 ，即认为是过压充电，严禁对蓄电池组过压充电，因为过压充电会造成蓄电池中的电解液所含的水被电解成氢气和氧气逸出，使电解液浓度增大，导致蓄电池寿命缩短甚至烧坏。 充电电流：蓄电池充放电电流一般以 C 来表示， C 的实际值与蓄电池容量有关，充电电流过大或过小都会影 响蓄电池的使用寿命。 理想的充电电流应采用分阶段定流充电的方式，即在充电初期采用较大的电流，充电一定时间后改为较小的电流，充电末期改用更小的电流。充电电流的设计值一般为 充电电流超过 流充电会导致蓄电池极板弯曲，活性物质脱落，造成蓄电池供电容量下降，严重时会损害蓄电池。避免用快速充电器充电，否则会使蓄电池处于瞬间过流充电和瞬时过压充电状态，造成蓄电池可供使用电量下降，甚至损坏蓄电池。 充电方式：铅酸蓄电池放电产物是硫酸铅，若不及时转化掉，会使蓄电池处于充电不足状态，从而 降低蓄电池放电容量和缩短蓄电池的使用寿命。因此必须使蓄电池处于充足电状态。一般采用恒压充电制，针对不同情况，可分为浮充充电和均衡充电两种充电方式。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 13 浮充充电：在线式蓄电池组长期并联在充电器和负载线路上作为后备电源，一般情况下都采用浮充充电方式，单体蓄电池电压控制在 对于 2V 的蓄电池），并定期观察、记录电压变化情况。如果单体蓄电池电压偏低，说明蓄电池充电不足、容量不够。 均衡充电：所谓均衡充电式把每个蓄电池单元并联起来，用统一的充电电压进行充电。如果蓄电池组在浮充过程中存在落后蓄电池（单体电压 低于 对于 2浮充 3个月后，宜进行均衡充电过程，其单体蓄电池充电电压控制在 6 8小时，然后转回浮充电压值。 下面对后备式 电电路做简单介绍： 为了简化电路、降低成本，后备式 常采用恒压充电。恒压充电电路由降压变压器、整流桥模块、集成稳压电路组成。 该图为后备式充电电路原理图，以 24220 后变为 27V 交流电压，该电压经整流桥及滤波电容 C 整流滤波后变为平滑的 33V 直流电压。该直流电压经三端可调集成稳压芯片 压后输出，通过调整可调电阻 输出电压。 对于恒压充电电路，一定要合理调整其输出的充电电压。若充电电压过高，则充电初期的充电电流就会过大，容易损坏蓄电池，而充电电压过低，则充电后期的充电电流就会过小，造成充电不足， 备工作时间就会达不到设计要求。对于24放电终了电压为 12=21V，充电终了电压即浮充电压为 12=27V，所以一般将充电电路的输出电压调整在 27V 左右，此时通过调整串联在充电器与蓄电池之间的限流电阻 流不超过 电后期的充电电流接近 图中二极管 保护二极管，其作用是防止当市电中断时， 输出电容湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 14 第四章 蓄电池部分 蓄电池是 统的一个重要组成部分，它的优劣直接关系到整个 统的可靠性，然而蓄电池却又是整个 目前在 能化学能电能。在蓄电池中，先用直流电源对其充电，将电 能转化为化学能并储存起来，当市电供应中断时， 靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。在这个过程中，蓄电池起了承上启下的作用。不管 多么复杂，其性能最终取决于它的蓄电池，只要蓄电池失效，再好的 无法提供后备功能。 般要输出 220V 交流电，带动较大功率的用电设备，在蓄电池串联数目有限的情况下，要求有较大的输出电流能力，目前市场上蓄电池的种类很多，但适用于 蓄电池主要有以下几种： 蓄电池， 蓄电池， 蓄电池，密封式 以下是对蓄电池的简单介绍。 电池的工作原理 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（ 在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质 H)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（ 在正极板上，故正极板上缺少电子。 铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（ 与电解液中的硫酸（ 生反应，变成铅离子（ 铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（ 2e）。 化学反应过程如下： 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 15 （正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （ 负极） + 2+ + 2 充电反应） (硫酸铅 ) （水） （硫酸铅） 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如右图所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 铅酸蓄电池充电过程的电化反应 如下： 充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。 在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ 硫酸根负离子（ 由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（ 断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（ 并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（ 在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ 硫酸根负离子（ 由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（ 中和为铅（ 并以绒状铅附着在负极板上。 电解液中，正极不断产生游离的氢离子（ H）和硫酸根离子（ 负极不断产生硫酸根离子（ 在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。 铅酸蓄电池放电过程的电化反应铅酸蓄电池放电时， 在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 I。同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（ 电解液中的硫酸根离子（ 应，在极板上生成难溶的硫酸铅（ 正极板的铅离子（ 到来 自负极的两个电子（ 2e）后，变成二价铅离子（ ，与电解液中的硫酸根离子（ 应，在极板上生成难溶的硫酸铅（ 正极板水解出的氧离子（ 电解液中的氢离子（ H）反应，生成稳定物质水。 化学反应过程如下： 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 16 （正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液）（负极） + 2 + 2 （放电反应） (过氧化铅 ) （硫酸） （海绵状铅） 电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的 作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。 放电时 负极上的硫酸铅（ 加，电池内阻增 大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。 铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 如下： 从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。 从上面可以看出，铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。 实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池 的充电程度。 电池供电时间计算 电池供电时间主要受负载大小、电池容量、环境温度、电池放电截止电压等因素影响。一般计算 池供电时间，可以计算出电池放电电流 ,然后根据电池放电曲线查出其放电时间。电池放电电流可以按以下经验公式计算： 放电电流 =功率因数 /电池放电平均电压效率 如要计算实际负载放电时间，只需将 还有一个简单的方法：要计算的话要把实际负载 果是 8000W 的话就是 8000/0000电池包的选型，现在主流电池都是 12,也是就 安时数 ,一般 2的倍数 个比方如果电池包是 24外 有很多种。然后就算每组电池的电池数，一个很简单的算法 ,但是并不是非常精确 (电池包电压数 池个数 =负载功率延时时间 )根据这个算出电池个数来就可以了。 电池容量的选择 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 17 容量的计算标准公式如下： 计算蓄电池的最大放电电流值： （ *N） 注： P 源的标称输出功率 源的输出功率因数（ 般为 际计算中可以取 E 临界 蓄电池组的临界放电电压（ 12V 电池约为 2V N 每组电池的数量根据所选的蓄电池组的后备时间，查出所需的电池组的放电速率值 C，然后根据： 电池组的标称容量 = I 最大 / 蓄电池容量可分为理论容量、额定容量和实际容量三种。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值，实际容量是指蓄电池在一定的条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。额定容量也称为标称容量或保证容量，是按国家或有关部门颁发的标准，保证蓄电池在一定的条件下应该放出的最低限度的容量。 在衡量蓄电池的指标中，蓄电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标。 在恒流放电的情况下，蓄电池的容量为： Q=中： Q 蓄电池放出的电量， A h； I 放电电流， A； t 放电时间， h。 电池的充放电 蓄电池具有自放电效应。从生产制造车间到用户使用，大约要延误数月时间。30 分钟 60 分钟 90 分钟 120 分钟 180 分钟 南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 18 以松下蓄电池为例，在 30的环境温度下储藏 8 个月的时间，蓄电池的残存容量仅为出厂时的一半，因此对于新购买的 套的蓄电池，一般要进行一次较长时间的充放电，这叫做初充电。蓄电池的初充电电流大小应按 电池的 放电终了后可进行再充电，这叫做正常充电。目前在 充和脉冲。所谓浮充是指整流器的输出与蓄电池并联工作。并同时向负载供电。实际上此时整流器提供的电流分两路：一路送给负载，另一路送给蓄电池以补充蓄电池自身内部损耗。浮充充电工作方式接线简单，对改善 出瞬态响应特性有好处。脉冲充电工作方式的特点是充电电流随蓄电池容量而变化，蓄电池和负载不是并联连接的，用这种方式充电可以缩短充电时间。 充电操作：蓄电池组放电后，应立即转入充电，开始控制充电电流，宜（如 200A h 蓄电池充电电流应不大于 200=40A）。当电流变小时，可慢慢提高蓄电池组充电电压，达到均充电压值后再充 6h，然后再调回浮充电压值。 放电要求：蓄电池实际放出的容量与放电电流有关，放电电流越大，蓄电池的效率越低。例如，对于 12V/24A h 的蓄电池，当放电电流为 ，放电至终止电压的时间是 110际输出容量为 h，效率为 当放电电流为 7电至终止电压的时间仅为 20s，实际输出容量为 h，效率为 所以应避免大电流放电，提高蓄电池的效率。 放电深度 ：放电深度对蓄电池使用寿命的影响也非常大，蓄电池放电深度越深，其循环使用次数就越少。虽然 有蓄电池低电位保护功能，一般单节蓄电池放电至 对于 12V）左右时， 会自动关机。但是，如果 于轻载放电或空载放电的情况下，尽管采用小电流放电能提高蓄电池的效率，但是当用极小电流长时间放电，将导致蓄电池时间放出容量超过其额定容量，从而造成蓄电池严重的深度放电。当蓄电池放电深度为 100%时，蓄电池的实际使用寿命约为 200 250次充放电循环，放电深度为 50%时，约为 500 600 次充放电循环。 因此在使用 要避免长时间轻载逆变造成蓄电池深度放电，更要避免蓄电池短路放电，否则会严重损坏蓄电池的再充电能力，缩短使用寿命。 放电操作：放电是为了检查蓄电池容量是否正常，一般采用 10h 率放电，有条件的可用假负载放电，或者直接断开市电，用蓄电池组供电。考虑到安全性，放电深度控制在 30% 50%为宜。 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文 ） 19 总 结 通过这次对 设计和学习，我更进一步了解到 一些知识，并且熟知了 各不同种类、各工作方式，在不同的需求及工作环境下对 行选型，合理安排资源，达到对 大效率的应用，以满足各个不同的工作场所对电能质量的要求。 本次对小功率 电电源的设计与分析，目的是为了达到 满足对电能质量非严格要求的供电场所如个人家庭用户等的不间断供电需求。 率因素校正电路、锁相电路、充电电路、保护电路、显示电路