智能UPS电源的研究与设计

1、 毕 业 设 计 论 文题 目 智 能 UPS 电 源 的 研 究 与 设 计 院系 电气与信息工程系 专业 自 动 化 班级 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 湖南工程学院毕业设计论文任务书 设计论文题目： 智能UPS的研究与设计在线式中功率UPS电源设计 姓名 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0001 学号 17 指导老师 教研室主任 根本任务及要求：1、了解UPS的工作原理、类型、根本控制方法、按要求设计做出合理方案选择 2、用8031单片机为核心控制的在线式中功率UPS电源设计。 3、单相交流市电输入184264V，频率50+5HZ，输入功率因数0.85。输出功率为10K

2、VA。4、要求有完善的检测和保护功能如输入的电压、电流；输出电压、电流；蓄电池的充放电电流的检测，逆变器的工作情况检测，对这些情况进行保护和响应的显示报警等。 进度安排及完成时间：1、第一周至第二周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。 2、第三周至第四周：查阅相关资料，自学相关内容，了解UPS系统的功能，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。 3、第五周至第八周：研究UPS控制系统设计方法以及以8031单片机为核心构成一个在线式UPS电源的硬件设计。 4、第九周至第十四周：系统软件设计。 第十六周至第

3、十七周：整理资料，准备辩论。 5、辩论 智能UPS电源的研究与设计摘要:在线式UPS具有稳压、稳频、滤波、抗干扰等功能，广泛地应用于国民生产的各个部门，对计算机系统尤为重要。本设计为一种基于8031 CPU 控制的在线式不间断电源UPS。这里着重介绍了该UPS的工作原理及硬件与软件设计。通过运用先进的电力电子技术和计算机控制技术，实现了该UPS的全数字、智能化控制。首先介绍了UPS电源的定义。UPS电源是随着信息技术的不断开展和计算机技术应用日益普及，高新技术产品对供电的质量要求越来越高。而普通交流电网供电时，所提供的电能不能满足负载的严格要求,许多意外事故如浪涌、尖端干扰、噪音都可能发生。U

4、PS在市电供电异常时，能向负载提供优质的电能。本论文系统的介绍了UPS电源的分类开展和现况，对将来的开展趋势进行了预测。关键词：不间断电源，在线式，8031单片机。The research and design of the intelligence UPS power supplyAbstract: On-line UPS, with the function of stabilizing the voltage and the frequency , filtering and resisting the interaction , has been extensively used in

5、 every field of the national production, especially for the computer system. In this paper, design a on-line UPS based on 8031 CPU for computer technique was developed. The working principle and the design of hardware and software of the UPS was introduced. The full-digital/intelligent control of th

6、e UPS was realized by means of advanced electric/electronic technology and computer control technique. First introduces the definition of UPS. It is along with the development of Information and popularity of computer , equipment with high technology put forward more and more strict demand for quali

7、ty of power supply. But at times, power a from wall socket is neither clean nor uninterruptible. Many abnormalities such as blackout, brownout, spikes, surges, and noise can occur. This is the function of an uninterruptible power supply(UPS) to act as a buffer and provide clean, reliable power to un

8、inerable electronic equipment. The design Introduced the development classify and present conditions of UPS systematically.Key words: power supply; UPS(Uninterruptible power supply); on line; 8031 microcontroller.目 录摘 要 I第1 章 绪 论 111 概绪 112 UPS的开展 113 UPS的分类和根本要求 214 本课题的主要任务和根本参数 2 141主要任务 3 142课题名

9、称及主要数据参数和要求 3第2章 总体方案的设计及其设计的指导思想 421 主体硬件电路的设计 422 各个单元电路的设计 4221 功率因数校正电路的设计4222 整流滤波电路的设计 7223 UPS蓄电池的选择与使用 11224 充电电路的设计 13225 静止逆变电路的设计 20226 静态开关的设计 23227 保护与告警电路的设计 28228 辅助电源的设计 35第3章 8031单片机系统的设计 3931 硬件局部的设计 39 311 CPU的选择 39 312 CPU与A/D接口电路的设计 39 313 CPU与D/A接口电路的设计 39 314 显示电路的设计 40 315 工作

10、电源的设计 40 32 系统软件的设计 40 33 系统整体功能确实定 4134 系统各模块的设计 42 341 主程序的设计 42 342 T0和T1的中断子程序的设计 43 343 显示处理模块 44 344 电流的标度转换子程序 45 345 状态判断模块 46 346 监控模块 46 347 越限报警子程序的设计 46第4章 源程序的调试 47第5章 系统操作说明及系统地址资源分配表 4851 系统操作说明书 48 52 系统子程序或局部程序段注释表 4953 片内RAM资源分配表 50531 存储单元分配表 50532 提示符及其偏移量 51533 工作存放器的分配 52534 芯片

11、地址表 5254 代码表 52第6章 总 结 54致 谢 55参考文献 56附录一 系统主程序清单附录二 功率因数电路图附录三 充电电路图附录四 静态转换开关电路图附录五 保护电路图附录六 微处理器电路图 第1章 绪论11 概绪随着科学技术的开展，现代化的工业控制设备、通信装置及科研实施等都将以电子计算机为核心。计算机是一种精密电子设备，它对交流电源的供电质量、可靠性和连续性(不间断)等都有严格的要求，不允许有3-5ms的供电间断。市电的电压波动、脉冲干扰和突然中断，将会导致随机存储器数据的丧失和程序破坏，有时甚至会使磁盘面和磁头遭到损坏，造成难以弥补的损失。例如:使CAA, CAD和CAM系

12、统及金融部门的计算机业务系统数据丧失，地面和空间卫星的通讯中断，以及实时在线控制的自动化连续生产停止等等。对计算机故障情况的统计说明，有80%的原因是由于供电电源的质量问题。因而，人们自然对供电质量提出了更高的要求:一是要解决市电中断或瞬变时对计算机等负载产生的不良影响;二是要保证输出优质正弦波。为此，不间断电源系统(Uninterruptible Power System)，简称UPS，日益成为计算机必不可少的配套设备。UPS具有稳压、稳频、滤波、抗干扰、防止电压浪涌等功能，而更重要的是，当突然停电时，UPS可以对负载继续暂时供电，使人们来得及处理由于停电而带来的影响，防止损失(如:保护信息

13、、数据等)。此外，UPS还广泛用于远距通信系统、卫星地面站、数控系统、生产线过程控制、飞机场的空中交通管制系统、银行、医疗设备以及报警、保护、检测等装置中。这些系统，对供电质量及起可靠性、连续性都提出了较高的要求，而一般电网是难以满足的。12 UPS的开展UPS随着IT业的急剧开展而快速增长。由于技术的进步，计算机功能变得越来越强，而硬件构成却越来越小巧，对UPS容量要求逐步变小，10年前完成同样功能的计算机系统所需的UPS，要比今天的计算机所需的UPS容量大得多。另一方面，今天UPS的保护概念也发生明显变化，UPS已经从简单的硬件保护和数据保护，提高到为网络系统的可用性，信息的可用性提供强有

14、力的保障。可以想象，如果没有UPS会造成何种后果。UPS电源在几十年的开展中经历了从晶闸管、功率晶体管、IGBT、IPM等不同的开展时期，电路结构经历了后备式、在线互动式、在线双变换式等不同的形态。预计未来UPS技术将进一步朝着数字化、模块化、绿色化、智能化、高频化等几个主要方向开展。13 UPS的分类和根本要求UPS的分类方法很多，假设按工作原理分，有动态式和静态式。静态式UPS又分为后备式和在线式。后备式的UPS电源是当市电正常时，市电经高频滤波和抗浪涌无源滤波电路后直接送给负载，同时充电器给蓄电池充电，这时逆变器不工作;市电断电后，逆变器启动将电池的直流能量转变为交流，并输给负载。在线式

15、UPS那么是平时由市电经过整流器、逆变器向负载提供交流电源，一旦市电中断时，UPS改由蓄电池经过逆变器向负载提供电源。所以在线式UPS在正常情况下，也是通过UPS内部的逆变器对负载供电，防止了由市电带来的各种电压波动和干扰，易于实现稳压、稳频。后备式UPS按备用方式可分为备用冗余系统和并联冗余系统两类。在线式UPS有三端口式和串联在线式。假设按输入输出方式分，有单相输入单相输出、三相输入单相输出、三相输入三相输出。按输出波形分，有方波、梯形波和正弦波。按输出功率分，有小功率、中功率、大功率。一般来说，l 0KVA以下的为小功率，l0KVA以上到100KVA的为中功率，而100KVA以上的为大功

16、率。大功率和早期的UPS，它们的逆变器使用晶闸管作为控制部件。当前，中小功率的UPS那么使用功率晶体管、功率MOSFET, IGBT等作为逆变器的换向控制部件。目前，有不少的微型计算机都使用500-1000VA的UPS。按系统的组合方式和结构形式分类，有简单交流不间断电源装置，具有手动切换的UPS，具有转换开关的UPS，互为备用的两组独立的UPS，采用并联型静止开关的UPS，具有多重并联功能的UPS，以及具有备用单元或备用电源的UPS.虽然UPS的种类和形式很多，对它的需求量也越来越大，但是UPS有其必须满足的根本要求: 1低本钱。很多负载需要供电，但电源异常、停电等对负载影响的频繁程度与 U

17、PS的价格要综合考虑，因此，经常强调的是UPS的低本钱。 2高可靠性。采用UPS的目的在于市电异常时，保证对负载优质供电，因此要求UPS具有高可靠性。 3小型轻量。UPS一般作为高质量负载的电源，特别是计算机的电源要求量很大，因此要求UPS小型轻量易于搬动。 4高效率。实际应用中广泛采用的是由逆变器供电的在线方式。14 本课题的主要任务和根本参数141 主要任务UPS系统的方案及总体设计；包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计要用到单片机的控制整个系统，因此要完成单片机应用系统的硬、软件设计并完成软件调试，以满足整个系统的要求。整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两局部。硬件设计主要完成UP

18、S整个硬件电路及I/O接口的设计：包括功率因数校正电路、充电电路、整流及滤波电路、蓄电池的选择、转换开关保护电路及各自的采样电路等组成；软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试。包括主程序、控制算法程序、速度采样和电流检测以及I/O接口控制等程序面的设计，并绘出整个系统的主程序和子程序的流程图。142 设计课题名称及主要技术参数和要求 课题名称：?智能UPS电源的研究与设计?设计要求：1 单相交流市电输入为184V264V，频率50+5HZ，输入功率因数0.85。2 UPS输出正弦波电压220+5V，频率为50+2HZ(市电同步)、50+本机振荡。3 UPS输出功率为10KVA。4 采用8

19、031单片机控制。5 要求有完善的检测和保护功能如输入的电压、电流；输出电压、电流；蓄电池的充放电电流的检测，逆变器的工作情况检测，对这些情况进行保护和响应的显示报警等。第2章 总体方案的设计及设计的指导思想21 主体硬件电路的设计在线式UPS原理图如上所示,在线式UPS主要是由以下几局部组成：充电器、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、蓄电池组、整流滤波电路、充电电路、保护与报警电路和功率因数校正电路。 图21 系统原理结构图22各个单元电路的设计221 功率因数校正电路的设计之所以要引用功率因数校正电路是因为功率因数较低的UPS存在许多问题，主要有：1 使电网波形畸变，线路损耗加大 1电

20、网中混入高次谐波后，使电压波形产生畸变，造成三相不对称，加速设备的绝缘体老化，损坏绝缘介质，使设备容易过载，增加线路损耗。 2对于工频电流，有色金属导体中电流的分布可近似为在整个截面内是均匀的。通过高频电流时，集肤效应严重，导体的有效电阻增加，损耗增加。 3随着频率的加快，导体的交流电阻和直流电阻均呈上升趋势，线路的损耗也随之增加。 4由于电流波形畸变，流过导体的电流除基波电流外，还增加了高次谐波电流分量，势必增加电路损耗。 2 降低供电系统的功率因数、增大系统供电容量 电网中的电流是由基波电流和高次谐波电流叠加而成的，由于高次谐波的增加，导致线路中的电流增大，从而产生畸变功率。畸变功率是无功

21、功率，因此总无功功率增大。 3 降低用电设备的使用寿命 1由于谐波干扰会引起电压不平衡，使电机产生附加损耗和发热，导致其寿命下降。实验证明，三相不平衡电压可在电感电动机的转子中感应出2倍于基频的负序电流，3.5的电压不平衡度可使电机温升增加25，电机绝缘体的寿命缩短将近一半。 2在高次谐波作用下，由于集肤效应和邻近效应，变压器的绕组中产生的附加铜耗、铁芯损耗也相应增加，使变压器寿命缩短。 3对于架空线路，当谐波电流通过时，可能引起串联谐振，产生危险的过电压：对于电缆线路，由于其绝缘材料中含有少量气体，气体在谐波电压作用下电离而形成电荷，并逐渐变为中性，在变化为中性的过程中，会发散电能，从而加速

22、绝缘介质的老化、缩短使用寿命。 4高次谐波对过电流继电器、过电压继电器、距离继电器等运行都有明显的影响，易使这些继电器的动作特性发生较大的变化，导致继电保护装置和自动化装置动作不稳定，甚至发生误动作或拒动。 4 干扰仪器、仪表 由于高次谐波引起电压波动，且在波形的断点处有“毛刺存在，从而易损坏仪器、仪表的微电子线路。特别是在越来越多地使用带微机的数字仪表的情况下，高次谐波的大量存在会影响其计量精度。 另外，各种电量的计量装置都是按50HZ标准正弦波设计的，当供电电压或负荷电压中含有高次谐波时，都会影响这些计量装置的正常工作。 5 使计算机无法工作 目前，计算机应用已普及到各行各业，它们对电源的

23、质量要求较高，如果电源中含有高次谐波，那么会对数据的传输和处理造成严重影响，使计算机产生误动作，使正常的工作程序遭到破坏。综上所述如今设计制造功率因数接近 l的 UPS已成为 UPS开展的必然趋势。在UPS中引入功率因数校正技术，一方面消除由于整流滤波电路产生的谐波电流，一方面补偿提高功率因数，这是UPS的一大开展趋势。功率因数校正可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。采用无源功率因数校正时，应在UPS输入端参加电感量很大的低频电感，以便减小滤波电容充电电流的尖峰。这种校正方法比拟简单，但是校正效果不理想，通常经无源功率因数校正后，功率因数可达0.85。此外，采用无源校正时，功率因数校正电

24、感的体积很大，增加UPS的体积，因此，目前这种方法很少采用。这里我们采用功率因数校正控制器UC3854来设计有关电路。由美国UNITRODE公司生产的UC3854系列功率因数校正控制器，其采用平均电流型ACM控制，不像峰值电流型控制，即使没有斜率补偿，也可获得正弦输入电流，并且噪声低， 灵敏度高。功率因数校正电路原理图见附录1。 电路分析:在此设计的PFC电路的主要性能参数为单相交流市电输入可为184V264V之间的任意值，输出功率为10KVA，输出电压为385V，线路功率因数=0.85，总电流谐波畸变THD5%。功率级电路也是一个升压斩波器，它借助电感L1mH工作于连续传导模式CCM。CCM

25、斩波器的占空因数取决于输出直流电压与交流输入电压之间的比值，同时，要求输出电压Uout必须高于最大值交流输入电压。 以UC3854为核心的有源PFC电路设置在桥式整流器DRL与滤波电容C0450F之间。PFC电路主要由UC3854升压电感器LMOSFETAPT5025高速二极管D2等组成。集成电路脚16输出的脉冲驱动MOSFET。当MOSFET导通时，二极管VD2截止，反之，当MOSFET关断时，VD2导通，C0充电。集成电路控制输入UC3854脚16输出的PWM脉冲占空因数，被脚11脚6脚4/5和脚8四个独立的输入同时控制。输出直流电压经R1617电阻分压取样加到脚11，输入到电压放大器。该

26、放大器的阀值电压为7.5V，其输入脚11与输出脚7之间的R7C6是反响补偿网络。为迫使交流输入电流跟随交流电压变化，线路电压波形被取样后接至脚6。脚6的输入信号在乘法器与电压放大的输出相乘即AB，对电流控制回路产生一个基准信号。电阻分压器220K和R8910K决定脚6的输入，该输入通常是6V。当AC电压过0增加到峰值时，脚6的输入电流那么从0增加到440A，因此电流取样电阻Rs0.25两端的电压接到脚4和脚5，使交流线路电流紧紧跟随交流电压变化。由于UC3854为核心的控制器的输入AC电压范围很宽，可从184V264V变化，所以当交流电压变化时，可保持输入功率不变假设负载功率不变。正比于整流电

27、压的电压信号加到脚8，并在集成电路内被平方，在乘法器中作为除数。脚5输出的乘法器电流随脚6输入电流及脚7输入电压的增加而增加，随脚8输入电压的平方增加而减小。保护输入带有辅助控制功能的保护输入由脚10脚13和脚2提供，以防止开关功率MOSFET损坏。不用脚10时，应通过100K的限流电阻接到Ucc上。电流值约14A的电流源接到软启动脚13，这样，接于脚13与地之间的电容C10将从0V线性地充电，一直到基准电压值7.5V。脚2具有最大电流限制功能。利用脚2，通过功率MOSFET控制最大电流值。利用R4R5电阻分压器，当电流取样电阻Rs0.25上的电压降为7.5*时，在脚2上可获得0V的阀值电压，

28、对应的AC输入电流为6A。脚2到地之间的470pF的电容，对高频噪声起旁路滤波作用。PWM频率在该电路中，PWM振荡器频率是100KHz。该频率由脚14脚12上的Ct和R14决定。R14影响乘法器的最大电流，它调节PWM控制电流的最大值。乘法器最大电流为 2-1-1从乘法器输出脚5到Rs，接入4K电阻R3，因此电流取样电阻Rs 的最大电流是 2-1-2222整流滤波电路的设计首先我们要了解到整流滤波电路的功能是： 将交流电变换为直流电；具有输出电压保持能力；抑制电网的干扰信号。UPS中采用的整流滤波电路类型较多，大功率UPS常可用可控硅和大功率二极管做整流元件，常用电路有半控桥式整流电路、全控

29、桥式整流电路、12脉波整流电路等。小功率UPS的整流滤波电路通常都采用220V交流电源经隔离变压器降压后，再经二极管整流的电路形式。根据老师下达的技术指标要求，经过仔细的研究和讨论，我决定在自己的设计中采用单相桥式全控整流电路，其是以电路为4个整流元件接成电桥形式而起名的。其电路如下图。而单相整流电路中应用较多的有以下几种情况：1. 带电阻负载的工作情况,如以下图所示：图22 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关

30、断而其中的数量关系为： 2-2-1 角的移相范围为180。 2-2-2 2-2-3 2-2-4 2-2-5 2-2-6 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。带阻感负载的工作情况,如以下图所示： 图23 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断至t=+时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1

31、和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流 2-2-7 晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。晶闸管导通角与无关，均为180和 。变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。 带反电动势负载时的工作情况图24 单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻负载时的波形在u2|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能导通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。 2-2-8 在角相同时，整流输出电压

32、比电阻负载时大。如上图所示id波形在一周期内有局部时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，假设id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。当 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。负载为直流电动机时，如果出现电流断续那么电动机的机械特性将很软为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所

33、需的电感量L可由下式求出： 2-2-9 图25单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况如图25所示。223 UPS蓄电池的选择与使用 蓄电池是将电能转换为化学能储存起来，用电时再将化学能转变为电能的一种独立直流电源。它是电池的一种电池按其使用特点分为原电池、蓄电池、储藏电池和燃料电池，是可以再充电和反复使用的电池，故称为蓄电池或二次电池。正因为蓄电池的这种作用，所以在UPS中它占着很重要的地位。 而目前在UPS中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能而储存起来。当市电中断时，UPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正

34、常工作。此时，蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供应UPS使用。因此蓄电池是一种可逆电池。 目前在中小型UPS中被广泛使用的是无需维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格比拟贵，一般大约占UPS总生产本钱的1/42/5左右。在返修的UPS中，由于蓄电池故障而引起UPS不能正常工作的比例大约占1/3。由此可见，深入了解蓄电池的工作原理，正确的使用好蓄电池组，对UPS无故障运行意义极大。正因为蓄电池的类型有多种多样，UPS对它所采用的蓄电池有如下要求：必须具有在短时间内输出大电流的特性，使用维护方便，密封不漏夜，体积小而重量轻。目前，常用的蓄电池有以下几种：密封式铅酸蓄电池M型经济型的涂浆式高效铅酸蓄电池

35、HS型适用于长放电时间要求的覆盖式铅酸蓄电池CS型适用于低温工作的碱性蓄电池AHH型其中M型蓄电池在中小型UPS中得到广泛的使用。该蓄电池的优点：维护简单，自身放电电流很小，能量维持的时间在很短的时间内能输出很大电流。 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可由式 求得，其中P是UPS的标称输出功率

36、；cos是负载的功率因数，一般取为0.8；是逆变器的效率，一般也取为；Ei是蓄电池放电终了电压。综合上面各方面因素的考虑，本设计采用M型蓄电池直接供电，而不采用复合供电方式。这种计方案电路简单，控制局部的功耗很小，主要是降压稳压电路R1、Z1、P和单片机IC1的耗电，其总电流小于10MA，这对于192V的蓄电池来说是可以忽略的。在外电网电压断电时，蓄电池通过逆变器放电。蓄电池放电时的化学反响方程式是： PbO2+2H2SO4+Pb = PbO4+2H2O+PbSO4 我们可以根据蓄电池两端的电压下降的数值来判断蓄电池的放电的速度。一般而言，蓄电池放电终了电压与其放电的快慢有关，由此可见，蓄电池

37、的输出电压能持续时间越长放电电流越大，蓄电池维持其输出电压稳定的时间越短。由此可见，控制好放电电流尽量防止大电流放电是延长蓄电池寿命的重要因素。蓄电池放电电流与UPS输出功率有关。假设UPS的标称功率为S，负载的功率因数为COS，逆变器的效率为X，那么蓄电池最大放电电流为：I=S*COS/X *E此设计中要求S=10KVA 采用192V蓄电池，通过公式Q= S*COS/C*X*E 可计算出应采用容量为的蓄电池。电源电路如图六所示。图中由齐纳二极管、电阻器、三极管组成降压稳压电路。齐纳二极管又称为稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。这种管子杂质浓度比拟大，空间电荷区内的电荷密度也

38、大，因而该区域很窄，容易形成强电场，稳压管的稳定作用在于当电流增量很大时，只引起很小的电流增量变化。 图26 蓄电池电源电路在此设计中采用了相同的原理这样当蓄电池电压变化很大时带来大变化电流时，稳压管能起到自动调整经过Z1的电流的大小，以改变R1上的压降，到达维持输出电压根本稳定的目的。电阻R1为限流电阻，它的作用是使电路有一个适宜的工作状态，并限定电路的工作电流。负载与稳压管两端并联，因而称为并联式稳压电路。电容C3作为滤波使用，以消除波动。电子管V1起调整作用，辅助齐纳二极管稳压。蓄电池电压经过降压稳压处理后送到电子开关V7后产生控制逆变电路的电压VDD。该电源电路的另一个特点是逆变管栅极

39、驱动电路的电压VDD不是直接来自降压稳压电路，而是经电子开关V7获得。该电子开关受控于8031的RB1口，当上电时，由于单片机尚未进入执行程序状态，此时的单片机驱动逆变管栅极的I/O都RB4、RB5尚处于输入状态。假设此时VDD已经建立，那么每个逆变管会导通产生直通现象，故VDD由RB1直接控制这段时间内RB1也处于输入态，因而VDD是没有的，故逆变管截止。一旦单片机执行程序，那么可RB4、RB5初始化为低电平，确使逆变器不会失控。另一方面，当主电时，逆变管停止，蓄电池过流也无需检测，故过流检测运行的电源、逆变管栅极驱动电路的电源均可以关闭减少蓄电池空耗。由于电池电压达192V故降压稳压三极管

40、V1的耐压值应较高。这也是采用高反压三极管进行参数稳压，而不用普通三极管稳压的原因之一。224 充电电路的设计 蓄电池与逆变器对直流电源的要求不同：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。介于充电电路在整个系统中的重要作用，我做了多方面的考虑，最后决定采用高压快速充电电路电路图见附录2。在此所用的高压快速充电电路不但解决了UPS内部蓄电池的快速充电问题，而且解决了一般不能快充外接蓄电池

41、的问题。 工作原理分析： 如下图，该电路适用于长备用时间、大容量蓄电池的充电。它由以下几个局部组成： 1加电电路 在不加交流输入电压时，继电器J2的中间触点a2和b2相连，如果这时开关K是闭合的，那么外加蓄电池电压就和UPS内部蓄电池形成并联结构，此时控制电路由于没有电源而不能工作。 当市电电压220V加到输入端时，由于继电器J1的触点处于断开状态，因而交流电压220V就不能加到变压器T上。当按下按钮N1时，J1被鼓励，触点J1闭合。这时电流经限流电阻Rx加到变压器T上，等到变压器初级绕组的电压到达一定值时，J3被鼓励，触点闭合，将电阻Rx短路。在交流220V加到输入端的同时，J2被鼓励，继电

42、器触点a2转接到c2，于是电池组电压UB经R2、VD6加到控制电路上。N2为按断开关，在未按下开关N2时其处于闭合状态将两个单结晶体管振荡器的发射扳旁路，故振荡器不工作，电路处于静止等待状态。 加电电路中之所以参加了J3和Rx环节，是因为一般电源变压器的匝间电容使加电前沿的电流被旁路，磁通不能马上建立起来，形成很大的短路电流。如未变压器容量再增加，这种启动瞬间短路电流就会更严重。因此，在加电前瞬间用电阻Rx限流，当变压器上电压升到一定值时，再将Rx短路就可防止这种情况的发生。 当按下开关N1瞬间，由于有上述的过程，最好不要马上供电。在N2被按下，该开关处于断开状态，电容C5的充电能延缓振荡器的

43、起振，只有当C5上电压上；升到一定值时，振荡器才开始工作。 2振荡电路Q1、R4、R5和C2、T2，Q2、R9、R10 、C3和T3组成了两套单结晶体管振荡器。之所以采用单结晶体管方案，是因为它电路简单而且能瞬时给出大的触发功率，可直接驱动可控硅。 在需要给蓄电池组充电的情况下，单结晶体管振荡器呈连续振荡，其波形图如以下图所示： 图27 单结晶体管振荡器波形Ue为发射极波形，eb1为第一基极b1的输出波形，其振荡周期可用下式表示： 2-2-10式中，T为振荡周期s，RE为接在单结管发射极的电阻，这里是R5和R9，CE为单结管射极的电容F，这里是C2和C3，为单结管的分压比。 由基极变压器将控制

44、脉冲加到主回路可控硅的控制极上。 单结管振荡器的发射极各与两个并联运算放大器的输出相连，因而它们的工作状况受相应运算放大器的控制，振荡脉冲的有无与疏密随着相应运算放大器的工作状态而改变。 3测量与控制电路 1限流与恒流控制电路 蓄电池经过一定时间的放电进行再充电时，初始充电电流很大，所以要进行限流，即在充电电流超过其规定值以前，将其恒定在规定的限流值上。 由图中可以看出，运放U1的4端和6端均接基准电压，即U1-4=U1-6，而U1-5=U1-7的电压为两个电压之差，即 U1-5=U1-7=U1-5B=U1-5AU1-AB 在上面的式子中，U1-5A为U1引脚5至A点电压，U5B为U1引脚5至

45、B点的电压，U1-AB为充电期间，充电电流在导线BA上形成的压降，其方向和原来不充电时风上的电压极性相反。 另外在电流很小时： U1-5 U1-4 运放U1LM339输出开路，不影响振荡器工作。一旦充电电流很大时，那么 U1-5=U1-5AU1-AB=U1-5AI充RAB 接近了U1-4=U1-6值，运放进入放大状态，其输出就对两单结管发射极产生了旁路作用，从而降低了C2及C3的充电速度，降低了脉冲频率，延迟了对可控硅的触发时间，调整了导通角，到达了限流恒压充电的目的。 2电压测量与控制电路 由图中可以看出，和运放Ul的两输出端1、2并联的还有U2的两个运放输出端1、2，这就是电压的测控环节。

46、在高压充电电路的电路设计中是这样规定的：当充电电压在预设值以下时，运放的输入端电压 U2-4=U2-6U2-5和U2-7 所以比拟器U；的这两个输出端是开路状态，两个振荡器都正常工作。当充电电压UB到达第一限值时，U2的6端电平大于7端电平，那么1端输出低电子，振荡管Q2的发射极被嵌位，于是由Q2构成的单给管振荡器停振，对应的可控硅VT2截止，快充结束，只剩下浮充实际上这时仍是快充，不过其平均充电电流减半。当充电电平到达第二限值时，比拟器U2的U2-4U2-5，使该组件为放大或开关状态，开始对第二只可控硅VT1进行相控，同时电压UB就稳定在这个电平上，电压变化小于V。 4冷却控制电路这里采取的

47、是强迫风冷。我们考虑到很多要求长备用时间的UPS电源是昼夜24小时开机的，但充电电路在大局部时间内都处于浮充状态，平时并不需要让风机始终工作在强风冷却状态。为了延长风机的寿命，参加了冷却控制电路，由比拟器U1的输入端8、9脚将信号引入，在电路进行全充电时，U1的输出端14脚为低电平，所以比拟器U2的输入电平U2-8U2-9，14脚输出高电平，经VD14去驱动Q4，从而继电器J4被鼓励，其中心触点将风机FAN接入 220V全电压电路，进行强风冷却。当蓄电池电平到达第一限值时，U1的14脚输出高电平，那么比拟器U2的U2-8U2-9，其输出端 14脚输出低电平，使 Q4截止，其中心触点与降压输出相

48、连接,于是风机FAN作降压运行，风力减弱，从而减轻了风机的磨损,节省了电力，降低了噪声。5主回路 主充电回路主要包括两只可控硅和两只二极管整流器。为了提高触发效率和进行隔离，采用了脉冲变压器隔离触发，在可控硅控制极的二极管是用来对控制脉冲进行整形的。6用继电器输出，实现了充电时与逆变器的隔离。充电电路中各主要多数的计算1交流指示 图中采用的10mA15V正向压降的发光二极管指示状态 (2-2-11) (2-2-12) 2Rx 根据不同变压器容量取不同值，在这里我们的参数是10kVA,16块电池1216192V,浮充电压设电池每单元浮充电压为V，一个12V电池由六个单元构成U浮225 X 6X

49、16216V，熔断丝 RD取 6A，那么: (2-2-13) 功率 PxIU6 * 2 201320W (2-2-14)实际上，RX的使用只是一瞬间的事情，甚至来不及发热，J3已将其旁路了。为了保险起见，取10W足够了。 3J1，J2和J3均取绕组电压为220V，触点电流为相应容量的继电器就可以了。4稳压管D8、 D9的选取：使 UDs UD 24V，电流取10mA。其余各稳压管均取2CW542CW13型 6V10mA即可。 5单结管振荡器图中单结管选用了500mw的BT33F，由表查得在065085之间，取075，其振荡周期为 (2-2-15)振荡周期较短可提高稳压精度，但不太显著；而较长其

50、影响却非常显著，取振荡频率为IkHz左右就可以了。假设取T1ms，那么 (2-2-16) 根据触发脉冲的宽度，取CE=01F就够了，故 (2-2-17)取82k。由于功率很小，取l4W就可以了。以下的计算，如无特殊说明，均取14W。 6限流环节因为基准电压为6V，即运放U1的4脚与6脚电压为6V，只要电位器W1可以将其5脚、7脚电压调到65V即可，为此取通过R7、W1的电流为lmA，那么 (2-2-18)那么 (2-2-19)于是 (2-2-20)取标称值68k，那么R7=2468=172k0，取18k。取18k验算是否UP6V。因为 (2-2-21)所以满足要求。 7电压测控环节 此电路电压

51、分两挡控制，第一档为电池开始冒泡电压，第二挡为每单元电池到达2.25V电压。不同型号和不同厂家的电池其冒泡电压有所区别。对于开放式半密封胶体电池来说，通过加电过程的观察，按实际情况定；而对密封电池，每单元电压按2V计算。 设胶体电池在充电电压使每个单元电压到达 2.25V时为第一限，这时的充电电压为 UB=225 * 6 * 16= 216V (2-2-22)仍设电阻臂电流为lmA，并设M点电压在216V充电电压时，UM6V，于是 (2-2-23) (2-2-24) 取标称值 68k，那么R14=2166=210k，为使取值和第二限值统一，考虑给 W2以较大的调节范围，故取R14=210k。只

52、要保证在第一限值 216V以前 UM 6V，在216V以后UM6V，在第二限值23 * 6*NN 6V就可以了。为此，对上述两条分别作一个计算，即只要保证将W2=W3全值投入后，在216V充电电压时，M点分压大于6V就可以了。第二种计算就不需要了，因为 216V时，UM6V，V时当然更大于 6V了。该计算是： (2-2-25) 计算结果满足要求。因此，只需根据要求把电位器值适当调小就可以了。 8低压准备停机测量环节 当电池放电时，原来充入的电荷会慢慢消耗，当电池组端电压降到一定值时，就应停止再放电，否那么将会损害电池。这里设每个单元电压低到175V这对多种电池都留有余量时， R18上的电压 U

53、R18 6V，使比拟器 U2的输出端 13给出低电位，低压警告指示灯亮。 同样设在每个单元电压为V时，电阻臂R17、R18流过1mA电流，那么： (2-2-26) k (2-2-27) 取168k (2-2-28)那么 (2-2-29)也即电阻R18取大了，但R17和R18邻近的标称电阻又相差太大，最好取62k的电位器更灵活一些。 9电解电容的取值 电路中的电解电容都是作平滑之用的。C1和C6是作平滑辅助电源之用，它的作用是在充电脉动电压期间，使辅助电压波动不要超过额定值的5。电容的充电规律为 (2-2-30)式中t为充电脉冲持续时间。在这里作一级近似，即设原来C上的直流电压是不变的，只在充电

54、半波高出电池电压的局部电容上电压才变动，那么Uct即为变动电压，而UB为充电电压脉动高出电池电压局部的峰值。而在此的交流峰值电压而电池标称值电压为 12VX16=192V，Um高出电池标称值电压 46V，即 UB=46V，那么: (2-2-31)R2为降压电阻，控制电路的等效电阻为1k，消耗电流30mA左右，也即 (2-2-32)式中24V为辅助电源电压，R2上功耗为P2=30mA60V，所以R2取6k4W电阻。一般这样估算，即当电池电压在最低值168V时，开始充电，在高出168V的时间就是t，如以下图所示: 图28 充电时间图根据正弦波定义，电压瞬时值 (2-2-33)那么 (2-2-34)

55、 (2-2-35) 于是 (2-2-36) (2-2-37)而实际上，当电池组停止放电后，电压又上升很多，所以t6ms，为将电容量取得足够大，假设时间长一些，暂取5ms。此时电容上的最大波动值电压Uct=24V5%=1.2V。因此电容C的容量为: (2-2-38)为了留有余量，C1和C6均取100F/35V。 C4的作用是平滑充电电流脉冲在测量线电阻RAB上造成的脉动,运放U1输入端5的电压是两个电压之差,即由辅助电源在5端的分压和充电电流在测量线AB电阻上造成的平均压降之差,这个电压只有几百mV。C4的算法同C1和C6，这里取100F。C7C8的作用是平滑脉动充电电压的，计算的原那么同上。2

56、25 静止逆变电路的设计静止式不间断电源的性能，是与逆变器的特性密切相关的。在UPS中，逆变器把由市电整流滤波后得到的直流电或来自蓄电池的直流电，逆变成频率稳定、电压稳定、波形失真小的交流电。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。综合考虑,我们在此选择的是：单相全桥逆变电路图29 单相全桥式逆变电路单相全桥式逆变电路如上图所示。它是由直流电源E、输出变压器T、两块二单元场效应管模块组成。而单相桥式逆变电路按其工作方式可分为：同频逆变电路、信频逆变电路。在这里我们用的是

57、同频逆变电路工作方式，所以只对它做进行讨论:在同频逆变电路中，场效应管模块VM1、VM2、VM3、VM4的栅极G1、G2、G3及G4分别加上正弦脉宽触发信号，其波形如以下图所示。 图210 同频逆变电路主要波形分析：在t0t1期间，uG1与uG2为一组相位相反的脉冲。uG3=0,uG4为高电位；在t1t2期间，uG3与uG4为一组相位相反的脉冲，uG1=0,uG2为高电压，其工作过程如下： VM1栅极出现第一个脉冲时，VM2的棚极脉冲消失，于是VM1、VM4导通；VM2、VM3截止。输出变压器初级电流i1沿着E+VM1变压器初级VM4E- 路径流动。由于VM1、VM4导变压器，变压器次级感应出

58、电压为 2-2-39 在这个电压推动下通，电源电压几乎全部加在变压器初级两端，即 2-2-40电源的能量转换到，变压器次级出现电流i。，它沿着“3RfZLfZ“4路径流动。变压器储存的能量一局部消耗在负载电阻上，另一局部储存在负载电感中。u。的波形如上图中e局部所示。 VM1栅极的第一个脉冲消失时，VM2的栅极出现第二个脉冲，VM1截止。i0不能突变，仍按原来路径流动，负载电感中能量一局部消耗在负载电阻上，另一局部储存在变压器中。它使电流i1也不能突变，i1一方面沿着“2VM4VD2“1流动，变压器储存的能量消耗在回路电阻上；另一方面i1沿着“2 VD3EVD2“l流动，变压器能量反响给电源。

59、由于VM4、VD2导通，变压器初级被短路，故u120，u00，故不会出现反向尖脉冲。变压器中能量释放完，VM2、VD3截止。 由此可见，VM1的栅极出现第一个触发脉冲，变压器初、次级同时出现宽度相同的脉冲。不难推出，VM1的栅极出现第二至第九个触发脉冲时，变压器初、次级也同时出现宽度相同的第二个至第九个脉冲。其波形如上图中e局部所示。 在wt1wt2期间 VM3的栅极出现第一个脉冲时，VM4的棚极脉冲消失。于是 VM2、VM3导通； VM1、VM4截止。i1沿着VM3变压器初级VM2路径流动。由于VM2、VM3导通，故 (2-2-41) (2-2-42) i。沿着“4 RfzLfz“3路径流动

60、，变压器储存的能量一局部消耗在负载电阻上，另一局部储存在负载电感中。U0的波形如上图中e局部所示。 VM3栅极的第一个脉冲消失时，VM4的栅极出现第二个脉冲，VM3截止，i0不能突变，仍按原来方向流动，负载电感中能量一局部消耗在负载电阻上，另一局部储存在变压器中。电流i1也不能突变，它沿着“1 VM2VD4“2及“l VD1EVD4“2路径流动，变压器中能量消耗在电阻上和反响给电源。由于VM2、VD4导通，故u210、u00，变压器中能量释放完，VD1、VD4自动截止，故不会出现尖脉冲。 同理，VM3的栅极出现第二个至第九个触发脉冲时，变压器初、次级也同时出现宽度相同的第二个至第九个脉冲。 以