畢業(yè)設(shè)計(jì)--ups不間斷電源的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p>　　專 業(yè)：機(jī)電一體化 </p><p>　　班 級(jí)：機(jī)電1001班 </p><p><b>　　指

2、導(dǎo)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(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、國防軍工、政府部門的各個(gè)領(lǐng)域要保障計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)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(shí)。 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(diǎn)從UPS電源裝置的結(jié)構(gòu)和形式來考慮其設(shè)計(jì)方案。整個(gè)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(zhì)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(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)框圖························&

10、#183;·····3</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)·························

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(hào)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(guān)··················&

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

18、#183;··············10</p><p>　　第五章 結(jié)論················

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

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

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

22、183;·······12 </p><p><b>　　概 述</b></p><p>　　自從電子設(shè)備特別是計(jì)算機(jī)問世以來，電源問題一直是人們十分關(guān)心的問題。對(duì)于一些特殊位置的重要設(shè)備，人們不但關(guān)心其供電電源本身的性能指標(biāo)，更注重供電電源的質(zhì)量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因?yàn)檫@些

23、設(shè)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(gè)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(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)供應(yīng)能量的動(dòng)態(tài)UPS，即不間斷是靠動(dòng)能維持。隨著社會(huì)技術(shù)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(dǎo)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(dāng)初發(fā)展到今天計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在內(nèi)的能源、醫(yī)藥、交通、通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域。特別是從技術(shù)內(nèi)含意義上講，從當(dāng)初單一的機(jī)械式到今天包羅了當(dāng)代全部的電子技術(shù):從微電子學(xué)到功率電子學(xué)，從線性電路到數(shù)字電路，從計(jì)算機(jī)硬件到軟件，從電信號(hào)通訊到光纖通訊以及

25、機(jī)電一體化技術(shù)。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢(shì)，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(jì)效益。</p><p>　　由此可看出，UPS已當(dāng)之無魄成為當(dāng)代高科技成員，而且正隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技

26、術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。 </p><p><b>　　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(dāng)交流輸入電源市電發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，電源裝置能繼續(xù)向負(fù)載供電，而且能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響。</p><p>　　實(shí)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(dāng)市電發(fā)生斷電或異常時(shí)，關(guān)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(fù)載供電的不間斷和質(zhì)量。如果要保證負(fù)載的不間斷供電和負(fù)載的供電質(zhì)量，就必須增強(qiáng)UPS電源裝置的可靠性，因?yàn)橹挥须娫囱b置的可靠性提高了，才能使負(fù)載供電不間斷和質(zhì)量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置的結(jié)構(gòu)和形式來

28、考慮其設(shè)計(jì)方案。下面在分析不間斷供電的原理的基礎(chǔ)上，提出本課題的整體設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　2.1 UPS電源不間斷供電的原理</p><p>　　負(fù)載間斷供電的原因，造成負(fù)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(tái)風(fēng)或龍卷風(fēng)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(fù)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(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量，一旦交流輸入電壓發(fā)生異常或斷電、或者整流器發(fā)生故障時(shí)，整流器就無直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)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(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復(fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。</p>

31、<p>　　（2）當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明顯，圖1所示結(jié)構(gòu)的UPS就不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。</p><p>　　2.2 UPS總結(jié)構(gòu)框圖：</p><p>　　UPS結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：為在線式UPS的原理框圖，其基本原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，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(guān)-輸出”。只有當(dāng)逆變器發(fā)生故障或過負(fù)荷時(shí)，才通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到市電旁路，其功率流程是 “市電-靜態(tài)開關(guān)-輸出”。</p><p&g

33、t;　　UPS應(yīng)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(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　第三章 各單元電路設(shè)計(jì)</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(zhuǎn)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(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器，通過串聯(lián)一個(gè)電感L1，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)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(dǎo)通時(shí)，電路C1放電，電感L1儲(chǔ)存能量，Q1關(guān)斷后，電感釋放能量，給電容充電及給負(fù)載提供能量。同時(shí)，整流電路前設(shè)置個(gè)熔斷器可以有效保護(hù)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(jìn)入LM137后進(jìn)行穩(wěn)壓，LM137的接地管腳連一個(gè)三極管，輸出端3連兩個(gè)電阻用來保護(hù)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(gè)IGBT的柵極信號(hào)為180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3與V4柵極信號(hào)互補(bǔ)，控制方式采用三角波PWM方式，但UPS負(fù)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(yīng)

38、措施。目前采取措施是通過提高載波頻率，加快控制響應(yīng)，并應(yīng)用瞬時(shí)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(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓進(jìn)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?cè)矸治?，IGBT的G極觸發(fā)脈沖由SG3524的11、14腳提供。T2、T5同時(shí)觸發(fā)，T3、T4同時(shí)觸發(fā)。當(dāng)T2、T5觸發(fā)時(shí)，交

40、流輸出電壓上正下負(fù)，T3、T4觸發(fā)時(shí)，交流輸出電壓上負(fù)下正。當(dāng)T2、T5關(guān)斷后，由于有電感存在，電流通過D7,D10續(xù)流，當(dāng)T3,T4關(guān)斷后，由D8、D9來實(shí)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(fù)載提供無功能量。 SG3524的基準(zhǔn)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(guān)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(zhǔn)電壓比較后，將產(chǎn)生的誤差電壓送到PWM比較器的一個(gè)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(hào)，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(hào)的產(chǎn)生：

42、</p><p>　　此電路主要用來驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號(hào)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(jī)、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(jiǎn)單的連接幾個(gè)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(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它

43、還具有高抗干擾能力，是一款性價(jià)比相當(dāng)不錯(cuò)的工業(yè)級(jí)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(qū)動(dòng)電路。其電路圖如下圖 8所示：</p><p>　　圖8 斬波IGBT驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　工作原理：通過R12、R13、C8結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。 其產(chǎn)生的PWM信號(hào)由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R15可以改變占

44、空比。輸出的PWM信號(hào)通過二極管D6、D7送至光電耦合器U4，光耦后通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。此電路具有信號(hào)穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。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?yàn)闆]有達(dá)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(gè)交流濾

45、波器進(jìn)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(guān)：</p><p>　　UPS的切換開關(guān)是控制UPS電源和旁路電源供電的一種交流開關(guān)，當(dāng)市電正常工作，主電路都應(yīng)從整流-斬波-逆變中流過，當(dāng)市電異常或停電，主電路由蓄電池代替整流開始工作，只有當(dāng)

46、逆變器發(fā)生異?；蛘咭M(jìn)行電路維修時(shí)開關(guān)才向旁路導(dǎo)通。這個(gè)切換開關(guān)由電磁繼電器構(gòu)成。</p><p>　　此繼電器由逆變輸出交流電供電，電磁開關(guān)將應(yīng)電磁力打到SB2，此時(shí)由整流-斬波-逆變電路供電，當(dāng)逆變電路出現(xiàn)故障時(shí)，電流將斷開，繼電器的電磁鐵將不能產(chǎn)生電磁力，此時(shí)開關(guān)將自動(dòng)打到SB1，這是由市電直接給負(fù)載供電，當(dāng)要對(duì)電路進(jìn)行檢修時(shí)，只要打開開關(guān)S1即可讓電磁開關(guān)打到SB1。如圖10所示。</p>

47、<p>　　圖10 UPS切換開關(guān)</p><p>　　第四章 UPS總體電路圖</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　UPS不間斷電源有許多實(shí)現(xiàn)方案，但在此次設(shè)計(jì)中，我采用的是適用于小功率的在線式不間斷電源，為了實(shí)現(xiàn)其功能，我首先想到的就是利用一個(gè)整流電路開始，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通過聯(lián)系實(shí)際生活中UPS

48、必須解決的相關(guān)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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)控制，逆變電路由SG3524逆變電路實(shí)現(xiàn)，采用由三角波PWM控制方式的正弦波逆變器，為實(shí)現(xiàn)由市電供電和逆變器供電之間的轉(zhuǎn)

49、換，必須要有一個(gè)轉(zhuǎn)換控制電路來實(shí)現(xiàn)。 此次設(shè)計(jì)最讓我領(lǐng)悟到了光學(xué)知識(shí)，光會(huì)做題是沒有用的，也沒有完全體現(xiàn)學(xué)習(xí)知識(shí)的意義，知識(shí)在于實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。雖然這學(xué)期電力電子技術(shù)這門課我們剛上完，所以對(duì)這次課程設(shè)計(jì)來說還算是趁熱打鐵，我將我所學(xué)的知識(shí)通過這次課程設(shè)計(jì)得到了升華。但是在知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用中我不斷發(fā)現(xiàn)了自己的不足，通過這次設(shè)計(jì)，讓我全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)了電力電子</p><p><b>　　致

50、 謝</b></p><p>　　值此論文完成之際，謹(jǐn)向悉心指導(dǎo)我的xx老師致以深深的謝意。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，xx老師給我創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)、研究設(shè)計(jì)環(huán)境。xx老師豐富的閱歷和豁達(dá)的處世觀，給我留下了深刻的印象。在我學(xué)習(xí)和完成設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，xx老師精心的點(diǎn)撥與指導(dǎo)、富有創(chuàng)造性的研究思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)、淵博的知識(shí)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dú)立思考，提出自己的見解又不時(shí)地給我指引正確的研究方向。這樣，一方面鍛煉了我獨(dú)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(xué)校和學(xué)院，給我提供了良好的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)環(huán)境。 再一次感謝曾經(jīng)孜孜不倦教我做人、做事、做學(xué)問的各位老師，更加感謝這次設(shè)計(jì)給我提供巨大幫助的xx老師老師，她是一個(gè)對(duì)學(xué)生嚴(yán)格要求又不失和藹可親的老師，沒有他的悉心指導(dǎo)與熱心幫助，就不會(huì)有我的進(jìn)步

52、與提高。 最后，對(duì)在我讀書期間所有關(guān)心、支持我的親人、老師、同學(xué)、朋友致以衷心的感謝和深深的祝福。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 浣喜明 電力電子技術(shù) 高等教育出版社 2011.7</p><p>　　2. 譚恩鼎 電工基礎(chǔ) 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(shù)及應(yīng)用 機(jī)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(yīng)用手冊(cè)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