谢志超UPS不间断电源的设计

谢志超U P S不间断电
源的设计
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
毕业设计
姓名：谢志超
专业：机电一体化班级：机电1001班指导教师：史琳芸
电子信息工程系印制
二○一二年十一月
宝鸡职业技术学院毕业设计任务书
姓名：谢志超
专业：机电一体化
班级：机电1001班
设计课题：UPS不间断电源的设计
指导教师：史琳芸
电子信息工程系印制
二○一二年十月
参考文献：
1. 浣喜明电力电子技术高等教育出版社 2011.7
2. 谭恩鼎电工基础高等教育出版社 2000.9
3. 王廷才彭慧纯 Protel 99 SE EDA 技术及应用机械工艺出版社 2008.5
4. 李成章现代电源及电路图集电子工业出版社2001.7
5. 张乃国UPS供电系统应用手册电子工业出版社2003
6. 王其英何春华编着新型UPS工作原理与实用技术及选购指南2006
7. 张乃国电源技术中国电力出版社 1998
8. 陈汝全电子技术常用器件应用手册机械工业出版社1998
教研室主任意见：
系主管领导意见：
任务下达日期
2012年9月19
日规定完成日期
2012年11月19
日
摘要
随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行就离不开UPS 不间断电源这已成为信息业界乃至各行各业的共识。

根据UPS不间断供电的原理本文以提高UPS的可靠性为基本点从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。

整个UPS主电源装置由整流/充电器、逆变器、静态旁路、维修
旁路等部分组成。

整流/充电器(包括蓄电池)为UPS提供在线工作的能量输入逆变器为UPS提供在线工作的高质量的稳压稳频的交流电输出静态旁路为UPS在整流/充电器或者逆变器故障情况下提供旁路工作电源逆变器供电和静态旁供电之间可实现不间断供电切换
目录
第一章概述 (1)
1.1 UPS的发展历程 (1)
1.2 UPS发展的前景 (1)
第二章系统整体设计方案 (2)
2.1 UPS电源不间断供电的原理 (2)
2.2 UPS总结构框图 (3)
第三章单元电路设计 (4)
3.1 降压并滤波 (5)
3.2 整流电路 (5)
3.3 稳压电路给蓄电池充电 (6)
3.4 逆变器及逆变电路 (6)
3.5斩波电路信号的产生 (8)
3.6 变压器变压并滤波输出 (9)
3.7 UPS切换开关 (9)
第四章总体电路图 (10)
第五章结论 (11)
第六章致谢 (12)
第七章参考文献 (12)
概述
自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心的问题。

对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的性能指标，更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。

因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无可挽回的损失。

所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)的出现为解决这个问题提供了广阔的前景
1. UPS的发展历程：
最初的UPS是由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持。

随着社会技术的提高，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS。

2. UPS的发展前景：
从以上可看出UPS从当初发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源、医药、交通、通讯系统等领域。

特别是从技术内含意义上讲，从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。

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、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。

电力电子功率器件的高频化和模块化使得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，可带来显着节能、降耗的可观经济效益。

由此可看出，UPS已当之无魄成为当代高科技成员，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。

第二章系统整体设计方案
UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源市电发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能保证供电质量，使负载供电不受影响。

实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成，如图2-1所示:
图1 UPS基本组成框图
在此基本组成电路中当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。

如果要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。

下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。

2.1 UPS电源不间断供电的原理
负载间断供电的原因，造成负载间断供电的原因有很多，概括起来主要有: 1.交流输入电源市电突然发生停电。

造成这种突然停电的原因较多，如用户发生故障或事故.造成电源跳闸.雷击造成短路而跳闸.或者由于雷击引起输电线断裂.鸟害引起断裂而跳闸.台风或龙卷风将输电线刮断等。

2.交流输入电源发生瞬间停电。

3.电源装置发生故障而中断供电。

因此，解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。

从UPS基本组成原理图1可看出，
（1）在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量，一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。

当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。

（2）当逆变器发生故障时，很明显，图1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。

2.2 UPS总结构框图：
UPS结构图如图2所示：为在线式UPS的原理框图，其基本原理是，当市电正常时，从输入端输入220V电压，经过变压器将电压变小，在滤去杂波，整流成直流电压，经过斩波和稳压给蓄电池充电，以保证蓄电池充足的电量，再经过PWM逆变电路将直流变为交流，经过升压变压器变为所需要的电压，在用交流滤波滤去杂波。

一旦市电发生变化或者停电，就由蓄电池工作，代替整流器输出直流电，经逆变成恒压恒频的交流，因此供电不受市电停电的影响。

在线式UPS无论市电是否正常，其功率流程都是“市电—滤波一整流滤波-逆变器-静态开关-输出”。

只有当逆变器发生故障或过负荷时，才通过静态转换开关切换到市电旁路，其功率流程是“市电-静态开关-输出”。

UPS应包含交流滤波器.整流器.斩波器.稳压器.逆变器等等器件和线路。

图2 UPS结构原理图
第三章各单元电路设计
3.1、降压并滤波：
如图3所示:从电网上输入220V交流电,经过变压器将电压降低,再经过交流滤波器L5.C10把杂波滤去。

图3 变压器与交流滤波
3.2、整流电路：
变压器T1交流电输入，经过整流电路将电压转换成直流给蓄电池充电，采用升压斩波方式，由于整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。

本电路采用RL低通滤波器，通过串联一个电感L1，滤除电流的高次谐波，并联一个电容C1滤除电压的高次谐波，以减小纹波电路。

如图4所示：这是一种能够抑制输入高次谐波干扰及改善功率因子的电路，采用PWM控制方式，由SG3525的管脚1跟踪控制，采用这种控制方式，能使输入电流为正弦波，而输入功率因子接近于1.由图可知：经二极管整流桥整流成直
流。

Q1导通时，电路C1放电，电感L1储存能量，Q1关断后，电感释放能量，给电容充电及给负载提供能量。

同时，整流电路前设置个熔断器可以有效保护电路及其元器件不被损坏。

图4 整流与斩波电路
3.3、稳压电路给蓄电池充电：
如图5所示：斩波出来的电进入LM137后进行稳压，LM137的接地管脚连一个三极管，输出端3连两个电阻用来保护电路，后直接接二极管给电池充电，以连续的供给电流。

图5稳压充电电路
3.4、逆变器及逆变电路：
逆变器采用正弦波PWM逆变器方式：图6所示为正弦波单相全桥逆变器电路。

各个IGBT的栅极信号为180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的栅极信号互补，V3与V4栅极信号互补，控制方式采用三角波PWM方式，但UPS负载一般为电容输入型，因输出电流峰值高，使输出电压波形畸变，为此要采取相应措施。

目前采取措施是通过提高载波频率，加快控制响应，并应用瞬时波形控制方式使输出电压接近正弦波。

图6正弦波逆变电路
逆变电路
SG3524为逆变器的核心电路如图7所示，逆变频率由R17和C7以及SG3524片内振荡器决定。

SG3524的11和14脚的驱动输出由9脚的高电位决定。

逆变电路工作后，在整流和逆变输出成正比的电压调节R8的大小，C15滤波，回
馈回SG3524的1脚，作为比较电压同2脚的基准电压进行比较，改变11和14脚输出波形的占空比，使逆变器输出的电压稳定在220V。

逆变原理分析，IGBT的G极触发脉冲由SG3524的11、14脚提供。

T2、T5同时触发，T3、T4同时触发。

当T2、T5触发时，交流输出电压上正下负，
T3、T4触发时，交流输出电压上负下正。

当T2、T5关断后，由于有电感存在，电流通过D7,D10续流，当T3,T4关断后，由D8、D9来实现续流。

电路中的电容C5和电感L2不仅能限制电压、电流的跃变，还能为阻感负载提供无功能量。

SG3524的基准源属于常规串联式直流稳压电源，它由集成块内部的谐波发生器，PWM比较器等组件向外提供5V的工作电压。

由振荡器先产生
0.6V~3.5V的锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压，送至触发器、或非门，并由管脚3输出。

SG3524的工作原理，开关电源输出电压经取样处理后送至放大器的反向输入端，与基准电压比较后，将产生的误差电压送到PWM比较器的一个输入端，另一端接至锯齿波发生器，由此可控制PWM的脉宽调制信号，最后依次通过或非门HF1,HF2功率放大器VQ1,VQ2输出。

图7 SG3524逆变电路
3.5、斩波电路信号的产生：
此电路主要用来驱动IGBT斩波。

产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM 波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。

为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。

它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。

为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。

其电路图如下图 8所示：
图8 斩波IGBT驱动电路
工作原理：通过R12、R13、C8结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。

其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R15可以改变占空比。

输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U4，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。

放大后的电压可以直接驱动IGBT。

此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。

因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。

3.6、变压器变压并滤波输出：
经过逆变后的交流电因为没有达到需求的电压，在经过变压器T2的变压，输出的交流电高次谐波量较大,于是再采用一个交流滤波器进行滤波，使输出的交流电稳定于所需电能。

如图9所示
图9 变压滤波
3.7、 UPS切换开关：
UPS的切换开关是控制UPS电源和旁路电源供电的一种交流开关，当市电正常工作，主电路都应从整流-斩波-逆变中流过，当市电异常或停电，主电路由蓄电池代替整流开始工作，只有当逆变器发生异常或者要进行电路维修时开关才向旁路导通。

这个切换开关由电磁继电器构成。

此继电器由逆变输出交流电供电，电磁开关将应电磁力打到SB2，此时由整流-斩波-逆变电路供电，当逆变电路出现故障时，电流将断开，继电器的电磁铁将不能产生电磁力，此时开关将自动打到SB1，这是由市电直接给负载供电，当要对电路进行检修时，只要打开开关S1即可让电磁开关打到SB1。

如图10所示。

图10 UPS切换开关
第四章 UPS总体电路图
结论
UPS不间断电源有许多实现方案，但在此次设计中，我采用的是适用于小功率的在线式不间断电源，为了实现其功能，我首先想到的就是利用一个整流电路开始，在实际设计过程中，通过联系实际生活中UPS必须解决的相关问题，突然发现自己想漏了许多地方，比如在市电掉线的情况下也要保证稳压电源的有效输出，必须要有很好的充电性能和充电回路，为了稳定充电电压，我专门设计了稳压电路，以保证充电的可靠性。

整流过程我采用的升压斩波式电路实现，在升压斩波电路中，为了稳定控制斩波电路中IGBT，我专门用SG3525芯片与光电耦合器来实现控制，逆变电路由SG3524逆变电路实现，采用由三角波PWM控制方式的正弦波逆变器，为实现由市电供电和逆变器供电之间的转换，必须要有一个转换控制电路来实现。

此次设计最让我领悟到了光学知识，光会做题是没有用的，也没有完全体现学习知识的意义，知识在于实际应用，实践是检验真理的唯一标准。

虽然这学期电力电子技术这门课我们刚上完，所以对这次课程设计来说还算是趁热打铁，我将我所学的知识通过这次课程设计得到了升华。

但是在知识的实际应用中我不断发现了自己的不足，通过这次设计，让我全面系统的复习了电力电子技术这门学科，也使我对其在实际生活中的应用有了更深的了解，为了完成设计，我必须查阅许多相关资料，这也使我增长了知识面，学习到了教材书上很多没有讲到的内容。

另外，为了实现各单元电路的设计，必须熟练应用各种软件作出电路图来实现相应功能的模拟，这样也让我进一步熟悉相关软件的操作，比如Protel99SE、Word等。

最让我感受深刻的是在不间断电源设计中学习到了SG3524,SG3525芯片和光电耦合器的运用，这些是书上没有写过的，平时生活中也不一定会用到，是这次课程设计才
让我学到了这些芯片的知识，受益匪浅。

像以前的课程设计一样，此次毕业设计也让我受益颇深，领悟颇多。

在此，我要感谢史老师的精心指导，细致耐性的解答我的问题，由于史老师正确的指导和宝贵的建议，使我这次课程设计进行的很顺利，通过本次毕业设计，让我学到了许多。

致谢
值此论文完成之际，谨向悉心指导我的史老师致以深深的谢意。

在整个设计过程中，史老师给我创造了良好的学习、研究设计环境。

史老师丰富的阅历和豁达的处世观，给我留下了深刻的印象。

在我学习和完成设计的各个阶段，史老师精心的点拨与指导、富有创造性的研究思想、严谨的科研作风、渊博的知识以及高尚的人格都给了我很大启发与帮助。

特别是在我进行系统设计和毕业论文写作期间，史老师倾注了大量的心血，既要求我独立思考，提出自己的见解又不时地给我指引正确的研究方向。

这样，一方面锻炼了我独立科研的
能力，另一方面有利于形成我自己的思想而又不偏离正确的方向，将使我受益终身。

衷心感谢我的学校和学院，给我提供了良好的学习和设计环境。

再一次感谢曾经孜孜不倦教我做人、做事、做学问的各位老师，更加感谢这次设计给我提供巨大帮助的史老师老师，她是一个对学生严格要求又不失和蔼可亲的老师，没有他的悉心指导与热心帮助，就不会有我的进步与提高。

最后，对在我读书期间所有关心、支持我的亲人、老师、同学、朋友致以衷心的感谢和深深的祝福。

参考文献
1. 浣喜明电力电子技术高等教育出版社 2011.7
2. 谭恩鼎电工基础高等教育出版社 2000.9
3. 王廷才彭慧纯 Protel 99 SE EDA 技术及应用机械工艺出版社 2008.5
4. 李成章现代电源及电路图集电子工业出版社2001.7
5. 张乃国UPS供电系统应用手册电子工业出版社2003
6. 王其英何春华编着新型UPS工作原理与实用技术及选购指南2006
7. 张乃国电源技术中国电力出版社 1998
8.陈汝全电子技术常用器件应用手册机械工业出版社1998。