后备式不间断电源(UPS)课程设计

课程设计任务书
课程名称电力电子技术
题目UPS电源设计
专业班级
学生姓名学号13
指导老师
审批
任务书下达日期2009 年6 月8 日
设计完成日期2009 年6 月19 日
设计内容与设计要求
一．设计内容
1．设计出UPS电路图。

2．说明UPS电路原理。

二．设计要求
1.给出设计原理框图；
2.给出具体设计思路，画出电路图；
3.编写设计说明书。

主要设计条件
1．提供实验箱；
2．必要的元器件和导线等；
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.设计总体思路，基本原理和框图；
5.电路设计；
6.编写设计说明书；
7.总结与体会；
8.参考文献；
9.电路图；
10.评分表；
11.空白尾页。

进度安排
十七周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；
十七周星期一——十七周星期三：查找数据，确定设计方案，画出草图；
十七周星期四，星期五：电路设计，画图；
十八周星期一上午——星期二下午：掌握电路原理，打印出图纸；
十八周星期三：书写设计报告；
十八周星期四：书写设计报告；
十八周星期五：答辩。

参考文献
参考文献1．王兆安，黄俊主编——电力电子技术，机械工业出版社，2000
2．薛永毅，王淑英，何希才——新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10
3．何希才，张明莉编着——新型稳压电源及应用实例，电子工业出版社2004.2
一、UPS 系统结构框图
UPS的结构原理如图1所示。

其基本工作原理是，当市电正常时，由市电供电，同时市电通过整流器整流为直流，给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。

一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池自动代替整流器向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响。

UPS电源应包括交流输入滤波电路及整流电路、蓄电池充电回路、PWM逆变器、各种保护线路、交流市电供电与UPS逆变器供电之间的自动切换装置、控制电路等。

图1 UPS结构原理图
二、典型UPS电源总电路设计
电路原理图如图2所示，主要由市电供电及稳压调整电路、逆变电路等组成，这里着重介绍稳压调整电路和逆变电路。

图2 UPS总电路设计图
三、部分单元电路设计
3.1 稳压调整电路
接通开关S
1，电池的24V电压经R
12
，VT
2
使12V稳压管VD
Z3
击穿，
VT
2饱和导通，VT
1
的基极电压稳定为12V。

电池电压经VT
1
调整后为
11.5V，作为SG3524的工作电压，从其16脚输出稳定的5V电压作为运放比较器的基准电压。

220V的交流输入电压通过接插件JK
4的5、6和R
45
输入到由
VD
11～VD
14
桥式整流电路（下文将会对桥试整流电路作出介绍），经
其整流使光电耦合器PC中发光二极管发光，发光强度随市电电压而
变化。

A点为市电压的取样电压，分别加到电压比较器A
1、A
3
、A
4
的
同向相输入端，经其与VT
6、VT
5
、VT
4
控制的继电器K
1
、K
2
、K
3
的切换，
使不间断电源输出的交流电压保持稳定，实现市电和逆变器供电的转换。

3.2 充电器电路
典型充电装置如下图所示：（作分离专用充电器）
图3 二极管整流器加斩波型充电装置
在图2总设计电路图中220V的交流输入电压通过变压器T的二
次线圈N
2变压后，经过接插件JK
3
的1、2输入到由VD
50
～VD
53
的桥
式整流电路，经其整流，由LM317、VD
23再经插件JK
3
的3、4给蓄电
池充电。

3.3 整流电路
220V交流电源输入，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，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SG3524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。

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

图4 升压斩波电路
3.4、逆变器及逆变电路
3.4.1 逆变器采用正弦波PWM 逆变器方式
图5所示为正弦波逆变器电路。

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1中直流侧经逆变器后，再接变压器二次侧线圈N 3由变压器一次侧线圈N 1并上电容后输出。

3.4.2 逆变电路
SG3524为逆变器的核心电路如图6所示：逆变频率由R 18和C 21
以及SG3524片内振荡器决定。

SG3524的11和14脚的驱动输出由9
图5 正弦波逆变器电路
脚的高电位决定。

逆变电路工作后，在N
2
感应出和逆变输出成正比
的电压，经VD
22和VD
2
整流，C
9
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：MOSFET的G极触发脉冲由SG3524的11，14脚提供。

T1,T4同时触发，T2,T3同时触发。

当T1,T4触发时，交流输出电压上正下负；T2,T3触发时，交流输出电压上负下正。

当T1,T4关断后，由于有电感存在，电流通过VD2,VD3续流，当T2,T3关断后，由VD1,VD4来实现续流。

电路中的电容C和电感L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。

图6 SG3524逆变电路
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。

3.5 UPS电源的切换开关
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，根据负载对断电时间的要求，切换开关有半导体开关、机械开关和混合开关。

UPS开关组成方式有多种，图7就是一种切换开关，它是控制UPS电源在由市电供电的后备工作状态和由UPS电源本身的逆变器对负载供电之间进行相互转换的一种开关。

根据需要可进行自动或手动转换。

图7 切换开关
如图8所示，这是UPS——1000不间断电源的市电供电/逆变器供电转换控制电路实例。

其中组件A1和VT9组成具有滞后特性的电压比较器，市电电压检测控制信号U20被送到电压比较器的A1的同相输入端。

+12V电源及电阻R91和R92组成一个电阻分压器。

比较
器的反向输入端被连接到这个点需分压器R91和R92的中点。

当UPS 电源处于逆变器工作状态时，由于此时外界电压为零，所以控制电压这时也为零，此时比较器的反相输入端电压高于同相端的电压，故在比较器A1的输出端将送出一个0V的低电平，这个低电平被直接馈送到晶体管VT9的基极，故晶体管VT9处于截止状态。

这时转换控制继电器K将处于释放状态，市电工作指示灯LED将熄灭。

图8市电供电/逆变器供电转换控制电路当UPS电源处于由市电供电或市电电压高于180V时，直流电压控制信号U20将被送到上述具有滞后特性的电压比较器A1的同相端上。

当UPS不间断电源从市电中断转变到市电恢复正常供电，或市电电压重新上升到高于180V的前一时刻，由于晶体管VT9原来处于截止状态，所以此时电压比较器A1反相端的参考基准电压仅仅取决于电源电压12V经过由电阻R93、R91并联阻值与电阻R92所形成的一个带女足分压器的中点电压。

线路设计时，已保证党市电电压高于180V时，市电电压检测信号U20的幅值大于参考基准电压U22。

这时电压比较器A1的同相端电位高于反相端电位，故电压比较器A1将输出一高电平（12V）。

由于这高电平被直接馈送到晶体管VT9的基极，故晶体管VT9集电极上的市电供电发光二极管LED指示灯发亮，而且转换控制继电器K将从释放状态转变为吸合状态，从而实现从逆变器供电到市电之间的自动切换。

3.6、保护电路
3.6.1 逆变过流保护
当发生逆变过流时，U4的4脚电压将有所升高，U4的4脚电压升高将使U4的PWM脉冲变窄，逆变输出电压下降；当超载非常严重时，U4将关闭其PWM脉冲输出，逆变器停止工作。

U2B输出为低电平，报警电路开始工作。

3.6.2 逆变过压保护
当发生逆变输出过压时，U4的1脚电压升高，U4的PWM脉冲变窄，输出电压变低，以稳定输出电压。

当由于某种原因，输出电压过高时，稳压管VD40将击穿，使U4的1脚电压高于2脚电压，逆变器停止工作，报警电路开始工作。

3.6.3 电池电压过低保护
在逆变状态，当电池放电到端电压接近保护值时U2C输出低电平，使U3的2、6脚电压下降到2V左右，使蜂鸣器常鸣，当电池电压再下降时，U2D将输出低电平，使U4的10脚为高电平而关断逆变器输出。

四、UPS电源性能特点简单介绍
4.1 提高供电品质
通过输入输出双重隔离以及双变换工作模式，使其输出成
为稳压稳频的标准正弦波波形。

不受其输入电源变化的影响。

4.2 市电掉电保护
若输入电源断电，UPS由电力系统自备的直流屏供电（DC110/220V），负载供电无中断。

4.3 提高噪声抑制
由于使用隔离变压器和交---直---交变换方式，输入电源中的杂波被有效地滤除，使负载能得到干净的电源。

4.4 内部安装逆止二极管
UPS的直流输入侧与直流母线之间通过逆止二极管相连，可防止直流母线电压比直流输入侧电压高而向直流屏反灌，起到保护直流屏的作用。

4.5 交流母线与直流母线隔离
完全屏蔽了交流母线与直流母线之间的互相影响。

4.6 延时软启动功能
具有完备的延时软启动功能，能大大减小系统启动过程中对设备和电网的冲击。

4.7 告警和保护功能
具有多种告警方式，可通过声、光、LCD、输入输出接点以及通讯传输方式对当前发生的告警进行及时、准确和详细的提示，在提高系统可靠性的同时，帮助维护人员准确快速地定位及排除故障。

无源故障接点：“逆变故障、旁路异常、直流异常”AC220V/1A 常开触点..
4.8 保护功能
具有输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输出超载保护、输出短路保护、过热保
五、课程设计总结及心得体会
电力电子技术是一种应用于电力领域的电子技术。

具体的说，是一门利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术主要用于电力变换，而电力变换常分为四大类：交流变交流、直流变交、直流变直流、交流变交流。

交流变直流叫整流，直流变交流为逆变。

具体来讲，变流技术则是电力电子技术的核心。

电力电子技术的应用范围十分广泛，其中UPS不间断电源就是它的一个重要应用。

此次电力电子课程设计中，对UPS电源的设计就是本次设计的主要内容。

随着UPS的广泛使用，其在现代社会中的地位也越来越重要，用量也越来越大，目前，UPS在电力电子产品中已占相当大的份额。

所以这次课程设计对我来说具有非常的实际意义，从中让我受益匪浅。

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即可，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，猛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，因此必须配有一个充电器，而且使它不仅在由市电供电的情况下给其充电，使其蓄能，还能在无市电时能由蓄电池向负载不间断供电，所以要有一个充电回路。

整流过程我采用的升压斩波式电路实现；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，另外，为了实现UPS电源的自我保护和供电效率，所以我还设计了各种保护电路、市电掉电保护、噪声抑制装置、具有报
警和保护等功能控制电路………
此次设计最让我领悟到了知识学了光会能做题是远远不够的，也没有完全实现它的意义，知识在于实际应用。

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。

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，再一次让我温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，这也使我无意中增长了知识面。

另外，由于，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Protel、EWB等。

像往常的C语言等课程设计一样，此次电力电子课程设计业让我受益颇深，领悟颇多。

最后在此，我要感谢梁老师的精心指导，由于梁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，通过本次电力电子课程设计，让我学到了许多书本之外的东西，我认为这是一次很有实际意义的课程设计，一次个人实践能力的进一步突破。

我喜欢它给我带来的这种快乐。

希望在这次课程设计的基础上能将以后的各种设计做的更好，更完善。

参考文献
[1] 黄俊，王兆安——电力电子变流技术（第3版）.北京：机械
工业出版社，1994
[2] 黄俊，王兆安——电力电子技术（第4版）.北京：机械工业
出版社，2000
[3] 薛永毅，王淑英，何希才——新型电源电路应用实例，电子工
业出版社，2001.10
[4] 何希才，张明莉编着——新型稳压电源及应用实例，电子工业
出版社2004.2
[5] 张立，赵永健——现代电力电子技术.北京：科学出版社,1992
[6] 赵惠昌——电力电子学.北京：兵器工业出版社,1994
[7] 张乃国——UPS供电系统应用手册
电气与信息工程系课程设计评分表
项目评价
设计方案的合理性与创造性
硬件制作或软件编程完成情况*
硬件制作测试或软件调试结果*
设计说明书质量
设计图纸质量
答辩汇报的条理性和独特见解
答辩中对所提问题的回答情况
完成任务情况
独立工作能力
组织纪律性 (出勤率)
综合评分
指导教师签名：
日期：
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。