UPS不间断电源项目设计方案

1 目设计方案 第一章 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 出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。 最初的 六十年代初由旋转电动机供应能量的动态 不间断是靠动能维持。这种早期 间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种 的 (一般不超过 5秒 )，于是人们开始使用备用蓄电池组，这是早期 图如图 1样的 转换效率低，于是出现了内燃式 种 态 作不够灵活、而且效率低、噪声大。 图 1早期 型框图 整流器 直流电动机 交流发电机 设备 蓄电池 市电 2 随着电力电子学 (功率电子学 )的发展， 为 实现大功率的电能转换，于是出现了静态 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 典型框图如图 1基本原理是 ： 市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；当逆变器发生故障时，另一路备用电源 (旁路电源 )经过转换开关实现向负载供电。 图 1静态 静态 两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路 (而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式 ;从容量上讲，后备式一般不大于 3在线式不受此限制，目前单机容量可以做到 600如 联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如 讯采用普通信号，而 ，从而实现多台 负载的功能。 由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出 (3/1)的 最大容量可达 60种单相输出的 负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的 且有三相负载 100%不平衡产品，如 整流器 逆变器 转换开 关 负载 蓄电池 组 旁路电源 市电 3 司的 为改善后备式 们研制了净化 将净化电源加在旁路电源上，如国产宝合 结合后备式 们提出了三端口 使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如 康等。 近期又出现了不间断蓄电池系统 见图 1结合了动态 是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境恶劣的场所。 图 1从以上 态、动静结合、在线式、后备式 (离线式 )、后备在线交叉式等 。 随之， 络系统在内的能源 (如电力 )、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统 (如网络通讯 )等领域 ； 后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间 ； 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， 电力电子功率器件的高频化和模块化使得 可靠性和效率得以提高，可带来 显著 节能、降耗的可观经济效益。 柴 油 发电 机 蓄电池 4 微处理器软硬件的引入，可以实现对 行远程维护和远程诊断。从而为 能化 提供了坚实的基础。 随着人们对环境保护意识的加强，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染 ； 其次是电源不能 (或少 )对电网产生污染。 事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源 ： 向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。 20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了功率因数校正 法，为 21世纪 由此可看出， 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。 课题研究的目的和意义 早期的 艺水平等方面的限制，备用时间短，智能性差，所以主要作为计算机的备用电源，其它行业涉及较少，因而普及率很低。但是，随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展，人们对供电的质量要求越来越高。这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断，将会导致随机存储 器中数据的丢失和程序的破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以 弥补的损失。不但如此，随着国民经济的发展，生产力水平的提高各行各业的许多关键设备对电源的要求也是如此。于是高性能、高可靠性 们 的关注。从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输，从银行证券到商贸销售，从通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业 (无不用到 而且，随着电子技术的发展，特别是计算机技术及计算机网络技术的发展，人们对 不但要求供电质量高，而且要求智能化，这也是科学技术发展的必然趋势。 人们 希望将现代电子技术、信息技术、控制技术 、计算机网络技术等 各种性质的负载适应性更强，产品 5 种类更齐全。 实际上， 能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。 宽调制 )技术和功率晶体管及组合管、功率 而降低了 高了效率和可靠性。特别是自 80年代以来，微处理器技术、计算机技术、网络工程的迅猛发展，并引入 大拓宽了 示方式从数码显示到液晶显示 ，使得人机“对话”更加方便。利用做到自动诊断、自动开关机、自动打印运行记录，起到监控、管理系统的作用。随着 仅保护服务器，而是强调以整个网络为保护对象。用户希望 是让网络在电源出现异常时，仍然可以继续工作而不中断。因此， 种软硬件的新搭配有助于大幅度提高 其趋向人性化 ； 同时大大拓宽了 能 求下发 展起来的。 所谓智能 合特殊设计的 软件 (称为监控软件 )以提供电源和资料的双重保护。 因此监控软件是 前 字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入 制智能 由此推动与之相关技术的发展，这 也是我选择本课题的初衷之一。 课题的任务和要求 课题的任务 本课题的任务是 研究设计 出新一代微机控制的可应用于网络的 20 的智能 充电器、逆变器、旁路电源 (静态旁路电源和维修旁路电源 )三大部分组成。 课题的要求 1. 计要求 : (1)输入电压 :380V 10%(三相四线制 )，频率 5015%； (2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆 变器满载运行要求 ； (3)功率因 2. (1)三相输出电压 380V 2%,输出频率 50 并在一定范围内可调（电压正负 5%， 频率正负 2 (2)输出功率大于额定功率 （ 20 (3)过载能力 125% (4)谐波失真度 功率因数 (2)软启动功能 ； (3)逆变器与后备静态旁路锁相同步，两者切换时间 100 (4)具有功能指示和故障报警功能 ； (5)具有自保护功能 ； (6)具有 远程监控、管理 ； 7 第二章 系统整体设计方案 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 图 2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。如果深入地扩展分析，要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强 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 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。 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。 整流器 逆变器 蓄电池 市电 负载 8 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。 间断供电的原理 从 (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 2决的办法有两个 ： 一是提供逆变器的备用单元 ； 二是提供静态旁路辅助电源。具体来说 : 逆变器故障时，通过快速开关立即切换至备用 单元，保证负载的不间断供电，这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电 ； 或称静态旁路电源 )，当逆变器故障时，通过静态开关迅速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到的是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但保证了负载不间断供电。一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。 (3)如果市电交流输入不正常的同时，逆变器又发生故障，这时要保证负载的不间断供电，可采用既有逆变器备用单元，又有静态旁路电源的设计方案。当交流输入恢复正常或者逆变器故障排除，通过静态旁路电源向负载供电 (如果市电输入正 常的话 )； 或者通过逆变器向负载供电 (如果逆变器故障排除的话 )。这种方案可保证负载的供电不间断。 (4)电源装置根据实际情况需要定期检修，这时必须断开逆变器和静态旁路，但仍然要保证负载供电的不间断，这时可采用增加维修旁路电源的方案。当电源装置维修时，通过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此 9 电源取自市电 ； 一旦维修完毕，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。 综上所述，不间断供电的原理实质就是从电源装置的组成结构上考虑如何实现负载的不间断供电 :采用冗余结构或者其他可靠性设计方案。 本课题根据 ，从不间断供电的原理出发，提出下面的 整体设计方案。 统整体设计原理框图 方面为备用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。设计的基本点有两个 ： 一是 输出电压和频率都必须保持稳定 (在一定的额定精度内 )； 二是 要能实现不间断供电。整个设计紧紧围绕这两个要点进行的 ： (1)蓄电池 (包括充电器 )是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源 ； (2)逆变器是 流电的核心组成，也是整个 用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断 ； (3)旁路辅助电源 (包括维修旁路电源和静态旁路电源 )是为维修、检修 者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。 根据以上所述，提出如下设计原理框图 (图 2 图 2统整体设计原理框图 下面以此原理框图从整流器 /充电器、逆变器、旁路辅助电源三方面分析本设计方案。 静态开关 静态开关 隔离 变压器 整流 / 充电 器 蓄电池 逆变器 1 逆变器 2 负载 维修旁路电源 静态旁路电源 市电 输入 辅助电源 10 流 /充电器设计方案 本设计中整流器和充电器合二为一，这主要 是 从功率大这个因 素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件 用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性、降低了造价。控制电路采用 16位 0制简洁、方便、可靠。 主回路电路示意图见图 2 如图 2相四线 380K、快速熔断器 流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流 ； 整流输出经电感 L、电容 断器 触器 20机(80控制回路由主控、测量 、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。 图 2整流 /充电器设计方案 变器设计方案 逆变器的 功率单元采用 元采用日本富士公司生产的 逆变控制系统设计采用冗余设计方案 ： 两套由 6位微处理器 80#和控制系统 2# (两者互为备用 )共用一组功率单元及其驱动单元。 如图 2变器的输入来自整 流 /充电器的直流输出，经三相逆变控制系统 11 再经特殊设计的隔离变压器 (原边为三角形接法，副边为星形接 法 )隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。其中 闸管 组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。 图 2逆变器设计方案 路电源设计方案 旁路电源是 它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关 (一对反并联的快速 晶闸管 组成 )来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要 求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。 本 中只画出了一相的电路示意图 。 12 图 2第三章 整流 /充电器的设计 整流 /充电器在 一是将交流电整流为直流电，经滤波供给逆变器 ； 二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。整流器电路形式有很多，典型整流电路有 ： 三相或单相桥式不可控整流电路、三相或单 相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路、带平衡电抗器的 12脉波整流电路等。 大功率 /充电电路一般选用可控整流电路，这是基于整流器和充电器合为一体的设计考虑。具体来说 ： (1)通常 希望逆变器能得到一个电压稳定的电源。但是由于种种因素的影响，比如市电电压变化频繁，有 时低于 380V(三相交流电输入 )，甚至低达 340V； 有时高于 380V，甚至高达 420果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定。只有采用可控整流电路，同时采用必要的负反馈环节，自动地调节脉冲相位， 才能保证整流器的直流输出电压的稳定。 (2)蓄电池充电电压必须能够调节。不可控整流电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电以后的均充电压 (均衡充电电压 )两种不同大小的电压。因此采用可控整流电路比较好。 在可控整流电路中，典型应用电路是三相桥式全控整流电路。 流 /充电器主回路设计 本设计中的整 流 /充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路。其电路的基本原理这里不再详细说明。原理电路如 下 ，图中 6为 晶闸管 。 13 图 3三相桥式全控整流电路原理图 流变压器的设计 由前面所述可 知 ，三相电网电压经空气开关和快速熔断器后，接在一星形 /三角形接法的变压器的原边。此变压器属整流变压器，不同于一般的电力变压器。 整流变压器在设计中的作用有三 ： (1)它可扩大整流电路中 晶闸管 控制角的调节范围，提高调节性能。 (2)起隔离作用。它使整流电路与电网电源隔离开来，使它们之间不发生电的直接联系，这样可减轻电网对整 流 /充电电路的干扰和影响，同时也减少了整 流 /充电电路对电网上其他用电设备的干扰。 (3)降压作用。 整流变压器将电网电压变换成与负载相匹配的电压，这有助于提高 晶 闸管 整流器的性能。一般清况下，整流器的副边次级电压低于原边初级电压，因此这里的整流变压器属降压变压器。它的接线方式要与同步变压器接线相配合，以满足主回路电路与同步电压之间的相位关系。 整流变压器在设计上不同于一般的电力变压器 ： (1)接线方式上有严格要求。初级和次级绕组中要有一个接成三角形，一般以初 级绕组接成三角形的居多， 这样可避免供电电压波形的畸变 ； 也可避免负载发生不平衡时出现中心点浮动。在三相四线制接法的输入中，整流变压器只有接成星形 /三角形。本设计中就属这 种情况。 14 (2)要求具有较高的绝缘强度。这是因为 晶闸管 整流电路发生过电压的机会比较多。 (3)要求适当增大变压器的导线截 面积， 这是因为 晶闸管 整流电路较易发生短路而产生过电流。 基于 (2)(3)的原因，使得整流变压器的体积比同等容量的电力变压器体积要大。 根据本设计中 20流变压器的容量可选 0比要根据蓄电池的电压而定。 流滤波电抗器和滤波电解电容的设计 在图 3这种直流电压中还含有较多的交流成分，它不利于逆变器的工作和蓄电池的充电，所以不能直接送往逆变器和为蓄电池充电，必须经过滤波。 (1)平波作用。整流电压 里 含有对逆变器和蓄电池不利的交流成分，利用电抗器既能储存能量又能放出能量的特点，在电路中接入电抗器 起到 平波作用。 (2)续流作用。当整流器的 晶闸管 控制角增大到一定值后，在某段时间内桥式整流电路中各元件均不导通，此时整流器输出电压为零，输出电压的波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。这必将影 响逆变器和蓄电池的供电连续胜。如果接入了电抗器 L，在这段时间内电抗器将通过续流二极管所提供的通路，把它储存的能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，保证输出电流的连续性。 (3)限制短路电流上升率的作用。当直流侧发生短路时，直流回路中的电流将猛然增大，危及 晶闸管 和硅整流元件如整流二极管。利用电抗器上电流不能突变的特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率，从而起动保护整流器的作用。 15 电容 耐压滤波电解电容，起平滑滤波作用。 的选用 设计直流滤波器所用 的大小根据整 流 /充电器的容量合理计算，这里我们根据经验来取值。 100A。 680050 回路电路 综上所述，本整 流 /充电器的主回路电路如图 3 在图 3中各元件说明如下 ： 图 3整流 /充电器的主回路电路图 法为 Y/ 11； 晶闸管 容吸收电阻 ； 容吸收电容 ； 16 在图 3流器件 晶闸管 阻容吸收 电路的电阻和电容可根据经验公式选取。 流 /充电器控制设计 设计好整 流 /充电器的主回路电路后，进一步的工作就是设计控制电路。控制电路是整流充电器的核心，因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入的控制，还是给蓄电池充、放电的控制，必须保证控制可靠、稳定、有序。因此 对 控制电路的要求如下 ： (1)晶闸管 的触发控制电路要输出与主回路电路相同步的触发脉冲 ； (2)能调节整流输出大小，以满足对蓄电池充电的要求 ； (3)保证整流输出的稳定，以利于逆变器和蓄电池的工作 ； (4)整流器的起动要平稳，因而要控制起动速度， 限制起动电流 ； (5)抑制过载电流，要有限流保护和过、欠压保护。 根据上述要求，并紧密联系当前国内外保护、控制领域的发展形势，设计了以微机控制为核心的整 流 /充电控制系统。 处理器 的选择 现在市场上应用最为普遍的是 8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位与 16位单片机。在 本设计中 我选用 它 除了适用于一般的信号处理系统外，对于要求实时处理、实时控制的各类自动控制系统如工业控制系统、随动系统、分布式控制系统、变频调速系统等以及高级智能系统如高级智能仪器、高性能的计 算机外部设备控制器、办公自动化设备控制器等都有其特有的优势。它在下列几个方面显示出其优越的性能和特点 ： (1)用寄存器 7 器结构， 56字节甚至 512字节的寄存器，消除了一般 1系列单片机等的瓶颈效应，大大提高了操作速度和数据吞吐能力。 (2)256或 512字节寄存器中除了前端少量专用寄存器外，其余字节均为通用寄存器。这样多数量的通用寄存器就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了指定服务过程中保护寄 存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序的设计。 (3)指令系统执行更快、效率更高。可以对带符号数和不带符号数进行操作 ； 还有符号扩展、数据规格化 (用于浮点运算 )等指令。另外，三操作数指令大大提高了指令效率。 (4)在 8加了一个外设事务服务器 门用于处理外设中断事务，它和普通中断服务过程相比， (5)内部带有四路以上的模 /数转换器 (A/D)， 83路A/D，而且 位和 10位可选。 A/大增强了信号采样电路的抗 干 扰能力，提高了电路的可靠性。 (6)具有高速输入口 捕获 们对于处理与时间有关的事件以及某些特殊输出提供了极大的方便。 当然， 列单片机具有一般单片机所具有的全部外设装置 ：振荡器和时钟发生器、定时器计数器、标准输 入 /输出口、全双工异步或同步串行输 入 /输出口、监视定时器 (片选输出等。 由此可看出， 6位单片机具有更丰富的软、硬件资 源，具有更高的性能，它更适用于一些较复杂的系统中。 基于以上原因，本课题中整 流 /充电器的控制电路采用了以 80控的微机控制系统。它主要由主控、测量与采集、 脉冲输出与同步、信号输出以及电源等部分组成。控制电路组成框图如图 3 18 图 3流 /充电器的控制电路组成框图 流 /充电器的微机控制系统 充电器的控制原理 在 了供给逆变器直流输入外，还须完成对蓄电池的常规充电、快速充电、浮 充电的功能。因此整流器的输出是随着 下面具体说明 如何调节整流电路的输出 。 在图 3接上负载后的整流输出 c o o d （ 3 其中，流器输出的直流电源平均值 ； 整流变压 器初级 线电压 ； 2U 为 整流变压器次级相电 压 ； 为 晶闸管 控制角，即 晶闸管 触发脉冲相位，是对应于触发脉冲出现的时刻距自然换相点的电角度，又称为延迟角。 从公式 3节 晶闸管 的控制角即可调节整流输出。 整流器提供给逆变器的直流输入必须是稳定的，这样才能有利于逆变器的正常工作，为此在设计中引入了电压负反馈并采用了 通过电压传感器对整流输出电压进行取样，与期望值进行比较，根据差值进行 而实现整流输出的稳定。 基于 80流 /充电 器主控电路以 80片机主控系统 小型开关电源模块 测 量 同 步 给 定 脉冲输出 保护出口 信号输出 +24V（ 15V +15V 5V（ 19 芯片为核心，只扩展了一片程序存贮器 27以地址锁存器 74位电路、参考电压电路及振荡电路。 程序存贮器的片选信号直接取自 80址范围为 :2000 复位电路见图 3作原理是 :复位电路接收到硬件或软件复位信息(上电复位、监视定时器溢出、执行复位指 ，都会使单片机 3电时通过R, 充电使单片机 着复位电容充 电电压的升高， 成上电复位。 图中的二极管 在掉电的情况下提供了一条迅速放电的通路，这样可保证芯片的反复上电的情况下可靠地复位 。 图 380参考电压电路是为采样 A/过电阻降压、稳压管稳压获得。基准电压源采用 是一种新型带隙基准电压源，具有温度系数小、动态 阻抗低 、工作电流范围宽等优点。应用电路见图 3中 振荡电路晶振频率采用 8荡电容选 33 20 图 3考电压电 路 如图 3了保证整流桥在合闸上电后共阴极组和共阳极组各有一个 晶闸管 导通，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对 晶闸管 同时施加触发脉冲。为此可有两种触发方式 ： 宽脉冲触发方式和双 窄 脉冲触发方式。宽脉冲触发是指使每个触发脉冲的宽度 60 (一般取 80 100 )；双 窄 脉冲触发是指在触发某一号 晶闸管 的同时给前一号 晶闸管 补发一个脉冲，相当于用两 个窄脉冲等效替代大于 60 的宽脉冲。双 窄 脉冲触发方式中，在一个周期内对每个 晶闸管 需要连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔 60 ，这种触发方式虽然比较复杂，但它可减少触发电路的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。宽脉冲触发方式中虽然脉冲次数减少一半，但是为了不 让 脉冲变压器饱和，其铁心体积必然做得大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲前沿不够陡，增加去磁绕组可改变这 个情况 ，但又使装置复杂化。因此，在本整流器触发控制设计中，采用了双窄 脉冲强触发方式。脉冲来自单片机 8过编程产生六路触发脉冲波 )。 80闸管 触发脉冲的产生提供了极大的方便 。 求 此速 度块。 利用 闸管 触发要求的脉冲。方法即是通过设定 和 负跳时间。利用 80闸管 触发脉冲的原理就是按照整流电路中 晶闸管 触发 导通的规律，在一周期内编程产生六路具有一定宽度和周期的双脉冲，再经功率放大电路、隔离电路以及脉冲变压器得到符合 晶闸管 触发要求的触发脉冲。 晶闸管 触发脉冲必须是具有一定宽度、幅值和陡沿的脉冲信号。一般来说，触发脉冲宽度为 400值 10且前沿要陡峭。 晶闸管 触发电流一般为 单片机输出口驱动电流只有几百 此必须进行功率放大，本设计中采用 驱 动能力较强的 驱动后的驱动电 21 流可达几百 采用光电隔离是避免单片机弱电工作电路不受主回路强电电路的干扰。采用脉冲变压器是基于匹配 晶闸管 门极触发电压的考虑。脉冲输出电路如图 3 本节一开始，在控制电路要求中就提出 晶闸管 的触发脉冲必须与主回路电路相同步，因此要设计同步电路以保证触发脉冲与主回路的同步。 同步电路取自主回路三相输入的 经滤波、比较产生同步脉冲信号，见图 3 图 3脉冲输出电路 图 3同步电路 信号采集与测量包括开关量和模拟量的采集和测量。 信号采集是针对 80片机而言的，为实现测量结果的显示及保护等功能，必须有采集计算电路。利用 80机的 8路 10位 A/D 模 /数转换器以及 方便地处理测量结果和保护整定。但是，进入单片机的信号必须是经过调理的信号，它要求符合以下条件 ： 22 (1)信号必须是非负的，而且幅值不能超过 5V； (2)进入单片机输入口的信号是电压信号 ； (3)输入信号不能干扰单片机的正常工作。 因此，进入单片机的信号必须经过适当的处理。 对于电信号有电压和电流信号，在进入单片机之前电流信号要转换为电压信号，利用电阻即可实现 ； 对于高压、交变信号要转换成低压非负信号才能进入单片机。 模拟电压信号有交流电压信号和直 流电压信号，对应单片机的采集方法有交流采集和直流采集。不管哪种采集 方法 ，进入单片机的信号都必须符合上面提出的三个要求。 因此，对于交流信号，还要考虑将交变的信号转换为非负信号的问题。 在本整流 /充电器的设计中，采 用 直流采样。交流输入电压的过、欠压保护均通过整流后的整流输出值进行整定保护。因此本设计中模拟采集量包括整流输出电压和电流。它们是通过霍尔电压、电流传感器传送来的，它们有降压、隔离的功能。从传感器传送来的信号因含有谐波等干扰信号，不能直接进入单片机，须经过滤波、缓冲等环节。滤波采用 R、 冲采 用电 压跟 随器，如图 3 图 3直流采样电路 信号输出包括状态信号输出如开关量的输出、指示灯的状态。 开关量输出有保护继电器、光字牌、调压开关等。与开关量的输入类似，开关量的输出要有光电隔离、驱动等环节。开关量输出的典型电路见图 3 23 图 3开关量输出电路 指示灯是利用发光二极管的点亮与熄灭两种二选状态来指示装置各部分的工作正常与否，如 流或直流输入电源的有无。 装置的过、欠压保护 、 过流保护、同步保护是通过指示灯和继电器同时进行的，一方面指示故 障类型，另一方面保护继电器动作，保护装置。 装置的工作电源对整个装置工作的重要性是不言而喻的，因为一旦工作电源出现故障，整个装置就陷入瘫痪状态，正常工作就无从谈起。因此工作电源必须可靠、精确。 本整流 /充电器的工作电源设计采用以小型开关电源模块为中心的设计方案。此小型开关电源模块可输出 +5V( +15V、 +24V(几种装置必须的工作电压。它的输入为交流 22020V。基于整个装置控制电路工作功率的考虑，此开关电源模块输出电流为 5V/1A, 24V/15V/ 对于放大器的工作电源， 15V, +为 +们分别由如图 3 图 3放大器工作电源电路 24 流 /充电器的控制软件设计 由于本论文是在已开发的直 流 充电装置的基础上进行的，因此它就作为了本设计中的 /充电器。此装置现已在很多地方运行、使用，技术非常成熟。 并且 整 流 /充电器的 软件 设计不是本论文的重点，在此就不作 具 体介绍了。 需要强调的是，由于蓄电池在 为给蓄电池充、放电的整 流 /充电器在 这里也 不再 作为重点的研究说明 。 第四章 逆变器的设计 在整流 /充电 器设计的基础上，本章进行逆变器的设计，以完成从直流向交流的转变。 逆变器是在线式交流 为在在线式 论市电正常与否，逆变电路都必须正常工作，除非逆变器发生故障，这是在线式 此，逆变器的设计在整个 变器的 原理 逆变是将直流电变为交流电 ,实现逆变的电路称为逆变电路 。 间断电源的交流输出侧直接和负载相连，其中的逆变电路属于无源逆变。 在许多场合，电网提供的 50频电源不能满足负载的特殊需要。220V/380V, 5波形畸变等有着严格的要求，且绝不允许瞬时停电的特殊负载。逆变器的主要功能就是将整流 /充电器输出的直流电压变换成稳压稳频交流电 。 变电路及其控制方式 逆变最基本的电路就是桥式电路。三相桥式逆变电路原理电路如图4 图中的开关 要开 25 关按照一定的规律断开和闭合就能将直流电变为交流电。 图 4在实际电路中，开关的切换 (换相 )通过换相电路或控制脉冲来实现。换相是逆变电路中一个十分重要的概念，因为实际电路中的电力电子开关器件并不是理想开关，它们的开通和关断必须在一定的控制条件下进行。无论是全控型还是半控型电力电子 器件 ,只要给控制极适当的信号，就可以使其导通 ； 但是关断时的情况就不同 ,全控型器件可以用控制极信号使其关断，而半控型的器件，必须采用一定的外部条件或措施才能使其关断。对于有自关断能力的器件来说，换相可通过自身来完成，称为器件换相 ；否则要借助其他手段来实现换相，如电网换相、负载换相、电容换相。 在本 间断电源设计中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或者蓄电池的直流输出，属于电压源，因此本设计中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般采用 180 导电模式，即在 一个周期内每个臂导通180 。 电压型逆变电路的典型控制方式有相控和 制两种。 相控是指控制触发脉冲的相位，即脉冲触发时刻来改变输出电压脉冲的宽度，从而得到调节逆变输出电压的作用。这种控制方式输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利的影响；且功率因数不高，调节时动态响应慢。 采用 制方式能够较好地克服上述缺点。 脉冲宽度调制控制方式就是对逆变 26 电路开 关器件的通断进行控制，使之输出一系列幅值相等、宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按照一定的规则，对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变输出电压的大小，又可改变输出频率。理论和实践证明 时，它还具有下列特点： (1)逆变输出波形接近正弦波； (2)动态响应快； (3)功率因数高。 随着自关断器件的出现并成熟后， 逆变电路获得了广泛的应用。如今， 制技术己成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分， 它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。 变器的基本原理及 的生成方法 正因为 变电路越来越多地采用 下面详述 制的基本原理 在采样控制理论中，有一个重要结论 :冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同即环节的输出响应波形基本相同。这个结论是 制的重要理论基础。下面以正弦脉宽调制 例说明 (a） (b) 图 4如图 4示，在图 4，将正弦半波分成 N 等份，把正弦半波 27 看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲