UPS不间断电源.doc

毕业设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 引言引言 变换主电路对电能实现变换 现在人们概念中的 UPS 均是静止式 UPS 静止式 UPS 的经典方案如图 1 2 所示 其原理是 电网正常时 市 电经整流器变成直流 再经逆变器将直流变成交流 后经转换开关送给 负载 在电网异常时 由蓄电池给逆变器提供直流电能 经逆变器变成 交流后送给负载 当整流器 逆变器或蓄电池等单元出现故障时 可经 过转换开关将市电旁路给负载 图 1 1 动态 UPS 结构图 对静止型 UPS 而言 按其工作方式又可分为在线式 online 和后备 式 offline 两种 但无论是后备式还是在线式 UPS 其基本结构大体相 同 只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异 下面就图 1 2 来简要说明在线式和后备式 UPS 的异同点 同时说明在线式和后备 式的含义 1 在线式 UPS 工作过程 在线式 UPS 的工作过程是 电网正常供电时 交流电经输入变压器 毕业设计 论文 2 后 一方面经充电器给蓄电池充电 另一方面经整流器变成直流后送至 逆变器 经逆变器变成交流后再通过输出变压器 最后经转换开关 K 接 4 点 送给负载 此时的电能流向如下 电网 输入变压器 整流滤波 逆变器 输出变压器 转换开 关 负载 充电器 蓄电池组 旁路 B A A 电网 A 蓄电池 图 1 2 经典型 UPS 结构框图 电网供电异常时 过压 欠压 断电 保护电路 图 1 2 中未画出 将切断输入市电与 UPS 的联系 让蓄电池为逆变器提供直流电能 此时 的能量流向如下 蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 由上述可见 在线式 UPS 就是指电网正常供电时 电网一方面对蓄 电池充电 另一方面经过 UPS 内部处理和变换后再送给负载 电网停电 或供电异常时 由蓄电池向逆变器提供电能 保证负载供电不间断 在 电网供电转为电网中断 蓄电池供电时 负载供电没有任何中断 当然 变 压 器 整 流 器 逆 变 器 变 压 器 转换 开关 K 充电器 毕业设计 论文 3 这是 UPS 内部无任何故障时的情况 若 UPS 内部任何一个单元出现故障 则控制电路可使转换开关由 K 接 A 点转换为 B 点 即实现旁路输出 这 样的转换一是有转换时间 供电有间断 二是此时市电必须不中断 否 则负载供电就无保障了 为了使转换过程不影响负载工作 应该使转换 时间尽可能短 考虑到较大的滤波电容的储能作用 转换时间一般应小 于 3ms 目前 功率稍大一些的 UPS 为了缩短转换时间 大都采用静态 无触点电子开关 这就大大缩短了转换时间 2 后备式 UPS 工作过程 后备式 UPS 的工作过程是 电网供电正常时 电网一方面经变压器 至充电器给蓄电池组充电 另一方面经变压器和旁路开关 K 接 B 点 送 给负载 此时的电能流向如下 电网 变压器 转换开关 负载 充电器 蓄电油组 供电异常时 控制电路立即切断电网与负载的联系 同时起动逆变 器并使 K 由接 B 转为接 A 继续由蓄电池提供电能向负载供电 此时的 电能流向如下 蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 这时的能量流向和在线式是一样的 只是转换为蓄电池输送电能这 个过程和在线式 UPS 有区别 即在线式 UPS 当电网异常转为蓄电池提供 电能时不存在转换时间 而后备式 UPS 存在一定的转换时间 这种转换 时间和在线式 UPS 中的转换旁路时间一样 一般希望其愈短愈好 通过上述可见 后备式 UPS 就是指电网正常供电时 电网通过旁路 开关直接送给了负载 同时也给 UPS 的蓄电池充电 送给负载的是没有 经过 UPS 加工和处理的电网的电 供电质量明显不及在线式 UPS 的供电 质量好 在电网供电出现异常时 才启动 UPS 内部的逆变器工作 将蓄 毕业设计 论文 4 电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载 后备式 UPS 和在线式 UPS 虽然其基本结构大致一样 但在电网正常 供电时 在线式 UPS 的输出较后备式 UPS 的输出交流电质量好 这主要 是说在线式 UPS 的输出是稳压 稳频的 而后备式 UPS 最多对输出采取 粗稳压而没有稳频等其他处理功能 不但如此 在电网供电异常 蓄电 池组开始向逆变器提供能量时 在线式 UPS 没有转换时间 后备式 UPS 是有一定的转换时间的 因此从工作方式和供电质量上看 电网供电时 和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程 在线式 UPS 的性能优于 后备式 有的后备式 UPS 的生产厂家加了电网滤波装置 有的在输出变 压器上增加了一些抽头 以实现对输出的简单稳压 使其产品的性能有 所改善 但终究和在线式还有一定差距 但后备式 UPS 约造价低于在线 式 UPS 因此小容量的后备式 UPS 也得到了广泛的应用 1 41 4 本设计技术参数本设计技术参数 本文设计的是静止型不间断电源 而在线式和后备式相比 有着明 显的优势 所以本文设计在线式的 UPS 其技术性能如下 输入电压 三相四线制 380V 50Hz 交流电压 输入电压范围 380V 土 10 输入频率范围 50Hz 土 5 输出电压 单相 220V 50Hz 交流电压 电压稳定度 220V 土 2 频率稳定度 50Hz 土 0 5 蓄电池组 采用 12v 38A h 全密封电池 16 块 满载工作时 蓄电池组能维持 15min 毕业设计 论文 5 2 UPS 总体结构和整流 逆变主电路总体结构和整流 逆变主电路 2 12 1 UPSUPS 总体结构总体结构 10KVA UPS 电源的总体结构框图如图 2 1 所示 在图 2 1 中 1 主电路 调整电路 正弦脉宽调制电路 驱动电路构成双闭环调 节系统 使 UPS 输出电压稳定 输出波形失真小 2 主电路设置很大的滤波电容器 可以吸收来自电网的各种干扰信 号 从而提高 UPS 的抗干扰性 3 设置了充电电路 为蓄电池充电 4 设置了完善的保护系统 是电力电子模块 蓄电池得到可靠的保 护 5 设置了转换开关 一旦逆变器出现故障 便使逆变器输出转换为 市电输出 电网正常供电时 电网一方面通过主电路先整流 再逆变成标准正 弦交流电压后 经过转换开关输出 同时 电网又通过充电电路变成直 流电压向蓄电池充电 电网中断供电时 蓄电池通过逆变器变成标准正 弦交流电压 该电压又经过转换开关输出 逆变器出现故障时 UPS 通 过转换开关进行旁路输出 并停止逆变器工作 2 2 UPS 整流 逆变主电路的设计 毕业设计 论文 6 10KVA UPS 主电路的功能是将非标准正弦波电压变换为标准正弦 波电压 它主要由输入滤波器 三相电源变换器 三相不控整流桥 阻 容吸收装置 单相倍频逆变桥 输出变压器 其电路如图 2 2 所示 2 22 2 1 1三相电源变压器三相电源变压器 1 B 三相电源变压器的功能是 1 B 1 将 UPS 与市电隔离 2 220V 变换为 110V 防止 IGBT 击穿 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 15 Jun 2007Sheet of File G BA CKUP 1 DDBDrawn By SPWM 毕业设计 论文 7 图 2 1 UPS 总体结构框图 2 2 2 三相不控整流桥 三相不控整流桥 1 D 6 D 三相不控整流桥 由三个整流管模块构成 它的功能是将 1 D 6 D 三相交流电压变换为单相脉动直流电压 其输出电压平均值近似由公式 2 1 决定 110V 269V 2 1 d V 6 图 2 2 UPS 整流 逆变主电路 2 2 3 单相倍频逆变桥单相倍频逆变桥 单相倍频逆变桥如图 2 3 所示 它的功能是将直流电压或变成 d V e V 单相正弦脉宽电压 它由四块 IGBT 模块组成 输入端接整流器 输出 端通过接负载 IGBT 模块的栅极分别接驱动脉冲 2 B 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 Jun 2007Sheet of File G BA7959 1 DDBDrawn By C3 T1 T2 T3 T4 Va Vb Vc D1D3D5 D2D4 D6 D7D8 C1C2 R1R2 Vo 220V B1110V 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 Jun 2007Sheet of File G BA7959 1 DDBDrawn By T1 T2 T3 T4 V i C 12V o 毕业设计 论文 8 图 2 3 单相倍频逆变桥 其工作过程如下 1 在期间 0 t 1 t 与为 与为 0 与导通 与截止 变压器 1G v 4G v g v 2G v 3G v 1 T 4 T 2 T 3 T 初级电压 沿着12路径流动 故 2 B 1 i d V 1 T 4 T d V 12 V d V 0 V d V 2 在期间 1 t 2 t 与为 与为 0 截止 变压器的初级电流 沿着 1G v 3G v g v 2G v 4G v 4 T 2 B 1 i 21 流动 将变压器中储存的能量消耗在电路电阻中 由 3 T 1 T 2 B 于 导通 变压器的 1 2 两端被短路 故 3 T 1 T 2 B 0 0 12 V 0 V 期间重复上述过程 2 t 0 t 3 在期间 0 t 1 t 与为 0V 与为 导通 变压器初级电流 沿 1G v 4G v 2G v 3G v G v 2 T 3 T 1 i 着21路径流动 由于 导通 故 d V 3 T 2 T d V 2 T 3 T 21 V d V 0 V d V 4 在期间 1 t 2 t 与为 0V 与为 截止 变压器初级电流 沿着 1 1G v 3G v 2G v 4G v G v 3 T 1 i 2 路径流动 将变压器中储存的能量消耗在电路电阻中 2 T 4 T 2 B 由于 导通 变压器的 1 2 两端被短路 故 2 T 4 T 2 B 0 0 21 V 0 V 期间重复上述过程 2 t 0 t 毕业设计 论文 9 对输出电压进行博氏级数展开 输出电压基波分量为 0 v sin 01 ve d V 1t w 输出电压中最低次谐波的频率为 其中 为驱动f 1 ff 1 ff 脉冲的两倍 为调频 一般为 50H 1 f 电力电子模块的主要参数如下 1 DSO BV 1 652 64 DSO BV d V 1 652 64 269 444710V 选择为 600V DSO BV 2 DM I DM I 2 i P Ed 考虑到蓄电油放电终厂时 仍能维持满载输出 另外考虑到占空比 为 0 3 时 也能维持满载输出 则d 210000 0 31610 5 396A DM I 选择为 400A DM I 3 GE V 1 52 5 GE V GE th V 1 52 5 5 7 512 5V 故可选择为 15 V GE V 2 2 42 2 4 阻容吸收装置阻容吸收装置 阻容吸收装置由 组成 若单相倍频逆变 1 R 2 R 1 C 2 C 7 D 8 D 器输入端出现过电压 过电压首先通过向充电 由于电容器两端电 7 D 1 C 压不能突变 故过电压被吸收 IGBT 模块导通时 电容器通过 1 C 1 R IGBT 模块放电 限制了放电电流 从而保护了 IGBT 模块 1 R 毕业设计 论文 10 3 控制电路控制电路 在 UPS 中控制电路的功能主要是 1 产生驱动 IGBT 模块的脉冲 2 对 IGBT 模块进行瞬时保护 控制电路由正弦脉宽调制电路 驱动电路 电压调节电路 波形调 节电路组成 其电路如图 3 1 所示 图 3 1 控制电路 3 13 1 正弦脉宽调制电路正弦脉宽调制电路 1234 A B C D E F 4321 F E D C B A Title NumberRevisionSize B Date 11 Jun 2007Sheet of File G BACKUP 43 DDBDrawn By V 0 3R263R35 3C31 3C21 3R33 3R18 3R15 3R17 3R25 3VR3 POT 2 3R6 3R16 3R22 3R36 3R21 3VR2 POT 2 3R4 3R14 3C28 3R11 3R13 3C29 3C19 3R39 3R38 3R27 3C15 3C27 3R40 3R72 3R69 3U21 3R30 3U17 3U8 3U3 3U3 3U8 3U12 3U21 3U17 3U12 3U21 3U17 3U12 3U21 3U17 3U12 6V V i 3R2 3R2 3R2 3R2 3D2 V 2 3D3 12V 6V 3C12 3R12 12V 6V 12V 8 10 7 11 15 PWM 16 14 12 13 18 9 1 2 3U4 3U4 12V 12V 12V 6V 12V 12V 3U4 INH INH INH INH 12V 52 20V EXB841 6 3 1 52 20VEXB841 6 3 1 52 20V 6 3 1 EXB841 5220V EXB841 6 3 1 6V 6V 毕业设计 论文 11 正弦脉宽调制电路的功能是产生四组正弦脉宽驱动信号 它是由误 差放大器 三角波发生器 比较器 同相器 倒相器 延时电路及控制 门组成 1 正弦脉宽驱动信号的产生 三角波发生器是由集成运放及电容器构成 压控振荡器输 3 3U 15 3C 出信号经过 2 分频后 通过 加在反相端 6 脚 在输 27 3C 30 3R 3 3U 3 3U 出端输出三角波 由于集成运放采用单电源 故 6v 直流偏置电压通 3 3U 过加在的同相端 于是输出的三角波在 6v 基础上进行变化 其 40 3R 3 3U 波形如图 3 2 a 所示 输出的三角波一路加在比较器反相端 8 端 8 3U 另一路通过由 及运放构成的倒相器后输出反三角波 由 27 3R 38 3R 3 3U 于采用单电源 6v 偏置电压也通过 加在运放同相端 3 脚 3 3U 39 3R 3 3U 故反三角波也是在 6v 基础上进行变化 其波形如图 3 2 a 中虚线所示 反三角波信号加在比较器的反相端 10 脚 8 3U 图 3 2 波形图 由交流误差放大器输出端 8 脚 输出的正弦波电压加在比较器 4 3U 同相端 9 脚 11 脚 若正弦波电压大十二角波电压 比较器输出 8 3U 端 14 脚 为高电位 若正弦波电压小于三角波 比较器输出端 14 脚 为 低电位 其输出波形如图 3 2 b 所示 若正弦波电压大于反三角波电 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAM PL ES BAD325 1 DDBDrawn By V V G1 V G2 V G3 V G4 V G1 V G2 t g t f t e t d t c t a t b 毕业设计 论文 12 压 比较器输出端为高电位 若正弦波电压小于反三角波电压 比较器 输出端为低电位 其输出波形如图 3 2 c 所示 2 由两组驱动信号变成四组驱动信号 由于单相逆变桥由四个桥臂组成 放需要四组驱动情号 的驱动脉冲与的驱动脉冲相位相反 1 T 2 T 的驱动脉冲与的驱动脉冲相位相反 3 T 4 T 为了将两组驱动脉冲变为四组驱动脉冲 特采用两组同相器及两组反 相器 同相器与反相器均由异或门组成 异或门有一个输入端接低 12 3U 电位 则构成同相器 异或门有一个输入端接高电位 则构成反相器 其电路如图 3 2 所示 比较器输出端 14 脚 输出信号通过同相器时 其输出脉冲相位不变 波形如图 3 2 b 所示 输出信号经过反相器时 其输出脉冲相位相反 波形如图 3 2 d 所示 比较器输出端 13 脚 输出信号经过同相器时 其输出脉冲相位不变 波形如图 3 2 c 所示 输出信号经过反相器时 其输出脉冲相位相反 波形如图 3 2 e 所示 3 23 2 驱动电路驱动电路 驱动电路的功能是为 IGBT 提供正 负栅压 保护 IGBT 模块 隔离 主电路与控制电路的电联系 它由达林顿驱动器和 Ex 跳 41 混合驱动器 组成 其电路如图 3 1 所示 1 达林顿驱动器 在图 3 1 中 采用的是 ULN2004AN 集成芯片 它是达林顿驱动 21 3U 器 其外形及内部结构示意图如图 3 3 所示 毕业设计 论文 13 图 图 3 3 达林顿驱动器 由于 EXB841 混合驱动器的输入端需要的输入功率比较大 而与门 输出脉冲的功率比较小 不足以驱动 EXB841 混合驱动器正常工作 17 3U 故需要设置达林顿驱动器以放大驱动脉冲的功率 2 EXB841 混合驱动器 EXB841 混合驱动器内部结构示意图如图 3 1 所示 它内部包含光电 锅合器 驱动器 过载保护电路 光电耦合器的作用是隔离主电路与控 制电路之间电的联系 驱动器的作用是放大驱动脉冲功率 驱动信号为 时 EXB841 输出端 3 脚为高电位 驱动电流沿 3 脚 IGBT 模块输入 m v 电容 1 脚流动 向电容器充电 逐渐上升 当上升到 iss C iss C c v c v IGBT 的开启电压时 IGBT 模块导通 IGBT 随幅度上升而逐渐进入深 c v 度饱和 驱动信号为 0 时 EXB841 输出端 3 脚与 1 脚之间出现 5v 电压 输入电容通过 3 脚 1 脚放电 当下降到 IGBT 的截止电压 iss C c v 时 IGBT 模块截止 IGBT 模块截止后 发射极与栅极之间承受反向电压 维持 IGBT 模块截止 瞬时保护电路的作用是保护 IGBT 模块 IGBT 模块的过载能力低 瞬时过载便可使之损坏 故需要设置瞬时 保护电路 它由过流检测电路 低速切断电路组成 其功能是将过载电 流限制在安全工作区域 该电路采用延迟搜索方法进行保护 所谓 延 迟搜索 就是实时检测 UBT 模块两端电压 若超出设定电压值 先将栅 极电压从 15v 降至某一设定值 如 10V 延时 10s 左右再进行检测 m 如故障消失 自动将栅极电压恢复到 15V 如放降未消失 自动将栅压 降至 0V 以下 关断 IGBT 模块 毕业设计 论文 14 3 33 3 调整电路调整电路 闭环负反馈调整电路的功能是稳定 UPS 输出电压 改善 UPS 输出波 形 它是由调整电路 SPWM 电路 驱动电路及主电路组成 调整电路包 括波形调整电路 电压调整电路 1 波形调整电路 波形调整电路由检测电路 给定电压 误差放大器组成 检测电路在这里指的是交流电压检测电路 它由降压变压器 电 1 3B 阻分压器 组成 设变压器的变比为 n 则变压器次级电压为 26 3R 25 3R 2 V 0 V n 电阻分压器输出电压为 25 2 2526 3 33 f R VV RR 令 25 2526 3 33 R F RRn 则 0f VFV 上式表示 检测电压与 UPS 电源输出电压成正比 该电压通过 f V 及校正网络 加到误差放大器的反相端 35 3R 31 3C 17 3R 33 3R 4 3U 给定电压是由 Sigma PWM1300L 集成芯片提供 给定信号通过 14 脚加在 8 分频器输入端 经过 8 分频后变成 100Hz 对称脉冲加在外接 2 分频器输入端 经过 2 分频后变成 50Hz 对称脉冲 由 12 脚 13 脚接回集成芯片 800Hz 100Hz 50Hz 脉冲同时加在阶梯 波发生器输入端 在其输出端获得 16 阶梯波 由 12 脚输入的 50Hz 脉冲 经过变换器变成同频率窄脉冲 加在电子开关的控制端 电子开关输入 毕业设计 论文 15 端接固定 6v 直流电压 每当阶梯波过零时 电子开关闭合 6v 直流电 压便加在阶梯波上 使阶梯波向上提高 6v 阶梯波通过滤波器变成光滑 正弦波输出 正弦波电压通过 加在误差放大器反相端 16 3R 12 3C 4 3U 设给定电压为 m v 误差放大器的功能是放大给定电压与测量电压之差 以提高闭环调 整系统精度 误差放大器是由中 8 脚 9 脚及 10 脚 电阻 4 3U 17 3R 电容器 构成的比例积分放大器 静态时 比例积分支 18 3R 18 3C 19 3C 路 不起作用 由于 与相位相反 故误差放大器输出电 18 3R 19 3C m v f v 压为 c v c v 3 k m v f v 式中 K3 为误差放大器的放大倍数 在图 3 1 中 是校正环节 12v 电源 及构成直 5 3C 5 3R 6 3R 3 3VR 流偏置电压 它们的作用是抑制失调电压 闭环波形调节系统的方框图如图 3 4 所示 因中是误差放大器的 3 K 增益 是正弦脉宽调制器的传递函数 是逆变器的传递函数 F 是 4 K 5 K 检测电路的反馈系数 根据图 3 4 可以看出 图 3 4 闭环波形调节系统的方框图 0 V 345 K K K m v f v 令 K 3 K 4 K 5 K K 为环路总增益 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAMPL ES 31 DDBDrawn By V m V f K3V cK4K5V o F 毕业设计 论文 16 则 0 V 1 m Kv FK 由于 F 只要反馈系数 F 是常数 则检测电压与 UPS 的输 f V 0 v f V 出电压波形一样 即 检测电压波形 输出电压波形 由于负反馈足够大 故 m v f v 则 检测电压波形输出电压波形 因此 UPS 输出电压波形与给定电压波形相同 由于给定电压是标 准正弦波 故 UPS 输出电压也是标准正弦波 2 电压调整电路 电压调整电路由检测电路 给定电压 误差放大器及跟踪器组成 其中检测电路这里指的是直流电压检测电路 它由降压变压器 整流 1 3B 电路 电阻分压器 组成 给定电压是由 12V 电源 电 22 3R 21 3R 36 3R 位器 电阻构成的分压器提供的 2 3VR 4 3R 毕业设计 论文 17 4 4 转换开关转换开关 转换开关的功能是实现市电供电与逆变器供电之间的转换 它由主 电路 触发电路及控制电路组成 其电路如图 4 1 4 2 所示 4 1 转换开关的主电路转换开关的主电路 转换开关分为手动开关和自动开关两种 正常情况下 负载通过自 动转换开关由一种电源供电切换为另 种电源供电 当自动转换开关损 坏或在紧急情况下 便采用手动转换开关 自动转换开关由两个交流电子开关 组成 每一个交流电子 1 KS 2 KS 开关均由两只晶间管 和 和 反向并联而成 其电路如图 4 1 1 T 2 T 3 T 4 T 所示 在正常情况下 交流电子开关工作 电子开关不工作 逆变 1 KS 2 KS 器输出电压通过加在负载上 其工作过程如下 1 KS 设逆变器电压为 sin 1 v 1m V 1 wt 图 4 1 转换开关 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 14 Jun 2007Sheet of File D Program Files Design Explorer 99 SE PR5F3D 1 DDBDrawn By T3 T4 T1 T2 K3 NFB2 K2 V oV 1V o G2 K2 G1 K1 KS1 G3 K3 G4 K4 KS2 毕业设计 论文 18 图 4 2 转换开关的主电路 为止半周时 两端加的是正向电压 两端加的是反向电压 1 v 2 T 1 T 的控制极虽然均加上正向电压 但是只有导通 故 0 7V 1 T 2 T 2 T 2T V 0 7V 1T V 01 vv 为负半用时 两端加的是正向电压 两端加的是反向电压 1 v 1 T 2 T 的控制极又加上正向电压 故导通 截止 因此有 0 7V 1 T 1 T 2 T 1T V 0 7V 2T V 01 vv 以后便以为周期重复上述过程 2p 逆变器出现故障时 交流电子开关上作 交流电子开关不工 2 KS 1 KS 作 市电电压通过旁路闸刀开关 电子开关加到负载 其工作 2 NFB 2 KS 过程如下 设市电电压为 sin 2 v 2m v 2 w t 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EXPLORER 99 SE EXAMPLES PR5AD0 1 DDBDrawn By 4D14D54D6 4ZD1 4D18 4D17 4D134D144D9 4D74D124D8 4D10 4D44D11 4D2 4D34D154D16 4T2 4T3 4T10 4T7 4T4 4T8 4T1 4R1 4T6 4T9 4T14 4T12 4T5 4R2 4R10 4R11 4C94C1 4C3 4R32 4R22 4R9 4R8 4C4 4C6 4R14 4C7 4R15 4R23 4C5 4C8 4R6 4R7 4R5 4R20 4R21 4R12 4R124R13 4R30 4R19 4C14 4C18 4R18 4R13 4C11 4C10 4R11 4R18 4R17 4C12 4R24 4R25 7 B 2 18V 5 6 18V 18V 4R10 18V A 18V 6 75 B 1 G1K1 G2K2G4K4G3K3 5558 4 3 762 5 1 毕业设计 论文 19 为正半用时 两端加的是正向电压 两端加的是反问电压 2 v 3 T 4 T 的控制极虽然均加上正向电压 但是只有导通 故扩 3 T 4 T 3 T 0 7V 0 7V 3T V 4T V 02 vv 为负半周时 两端加的是正向电压 两端加的是反向电压 2 v 4 T 3 T 的控制极又加上正向电压 故导通 截止 故 4 T 4 T 3 T 0 7V 0 7V 3T V 4T V 02 vv 以后便以为周期重复上述过程 2p 若逆变器与自动转换开关出现故障 则采用于动转换开关 2 K 闭合时 市电通过旁路闸刀开关及加在负载上 若旁路闸刀 2 K 2 NFB 2 K 损坏 则采用手动转换开关 闭合时 可以直接将市电加到 2 NFB 3 K 3 K 负载 手动转换开关所处位置如图 4 1 所示 4 24 2 触发电路触发电路 触发电路的功能是为主电路中晶间管的控制极提供正向电压 触发 电路由脉冲发生器 脉冲分配器 变换器等三部分组成 如图 4 2 所示 1 脉冲发生器 如图 4 2 所示 脉冲发生器是由 555 时基芯片 电阻 15 4R 23 4R 电容器及二极管 组成 18V 电压经过 滤 5 4C 18 4D 17 4D 7 4C 14 4R 6 4C 波 再经过变成稳定 12 V 电压加在 555 时基芯片的 8 脚与 1 脚之 1 4ZD 间 其工作过程如下 设电路初始状态是 555 时基芯片输出端 3 脚 为 1 其内部晶体 管截止 12V 电源通过 向电容器充电 电容器两端电压从 15 4R 18 4D 5 4C 5C v 略低于 4 V 开始 当 4V 8V 时 555 时基芯片输出状态不变 其内部晶体管 5C v 仍截止 电容器继续充电 继续升高 5 4C 5C v 当计 8V 时 555 时基芯片输出状态发生跳变 输出端由 1 5C v 毕业设计 论文 20 变为 0 其内部晶体管导通 电容器通过二极管 电阻 7 脚 内部晶体管放电 电容 5 4C 17 4D 23 4R 器两端电压降 5C v 当 4V 8V 时 555 时基芯片输出状态不变 其内部晶体管 5C v 仍导通 电容器继续放电 下降 5 4C 5C v 当 8V 时 555 时基芯片输出状态发生跳变 输出端由 5C v 0 变为 1 其内部晶体管截止 完成一个振荡周期 555 时基芯片输出波形如图 4 3 图 4 3 波形图 2 脉冲分配器 脉冲分配器的功能是将单列脉冲变成互差的双列脉冲 脉冲分 0 180 配器有两路输出 这两路输出的上作过程相同 故下面只分析其中一路 的工作过程 即由 组成的分配器的工作过程 1 4T 2 4T 如图 4 2 所示 脉冲发生器输出信号经过 分压后加在晶体 6 4R 7 4R 管的基极 该信号又经过 分压后加在晶体管的基极 3 4T 8 4R 9 4R 4 4T 若 555 时基芯片 3 脚为低电位 晶体管截止晶体管导通 4 4T 8 4T 晶体管导通 通过变压器 B 2 初级的电流沿下面路径流动 1 4T 18V 电源 十 6 7 地 10 4T 12 4R 19 4R 1 4T 18V 电源 变压器次级感应出对应的电压 同时晶体管导通 晶体管截 3 4T 2 4T 止 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date 8 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAM PL ES 31 DDBDrawn By V o V c5 0 0 wt wt 毕业设计 论文 21 若 555 时基芯片 3 脚为低电位 晶体管截止 晶体管导通 3 4T 2 4T 通过变压器 B 2 初级的电流沿下面路径流动 18V 电源 十 6 5 地 10 4T 12 4R 19 4R 2 4T 18V 电源 变压器次级感应出对应的电压 此时晶体管截止一晶体管截 4 4T 8 4T 止 晶体管 1 4T 以后便重复上述过程 3 变换器 变换器的功能是将脉冲变成对应百流电压 变换器由相同的四组电 路组成 每组电路的工作过程相同 下面分析其中一组电路的工作过程 即由组成的变换器的工作过程 14 44DD 晶体管导通 截止时 通过变压器初级的电流沿下面路径 1 4T 2 4T 流动 18V 十 6 7 地 18V 10 4T 12 4R 19 4R 1 4T 变压器次级感应出电压 1 端为 2 端为 通过变压器砍级 的电流沿下面路径流动 1 2 4 4D 1 4R 2 4R 2 4D 1 2 4 4D 1 4C 2 4D 该电流向电容器充电 1 4C 晶体管导通 截止时 通过变压器初级的电流沿下面路径 2 4T 1 4T 流动 18V 6 5 地18V 10 4T 12 4R 2 4T 变压器次级感应出电压 2 端为 1 端为 通过变压器次级 的电流沿下面路径流动 2 1 1 4D 1 4R 2 4R 3 4D 2 1 1 4D 1 4C 3 4D 该电流向电容器充电 1 4C 毕业设计 论文 22 由上述可见 由于脉冲电压不断向电容器充电 故将脉冲变为对应 直流电压 4 34 3 控制电路控制电路 控制电路的功能是 逆变器正常工作时 为脉冲分配器 提供工作电压 切 6 4T 7 4T 断脉冲分配器 的工作电压 1 4T 2 4T 逆变器出现故障时 为脉冲分配器 提供工作电压 切 1 4T 2 4T 断脉冲分配器 的工作电压 6 4T 7 4T 控制电路由晶体管 及相应电阻 卑容 5 4T 9 4T 10 4T 12 4T 14 4T 组成 其电路如图 35 所示 电路的工作过程如下 逆变器工作正常时 在图 7 35 中 A 点电位为 1 晶体管导通晶体管截止晶体管截止 18v 直流电 14 4T 12 4T 10 4T 压无法通过 加到脉冲变压器 B 2 的中心抽头 6 脚与地 10 4T 12 4R 19 4R 之间 由与组成的脉冲分配器停止工作 其门极无触发电压 1 4T 2 4T 2 KS 而停止工作 晶体管导通晶体管导通 18v 直流电压通过 加到脉 5 4T 9 4T 9 4T 冲变压器 B 1 的中心抽头 6 脚到地之间 由与组成的脉冲分配 6 4T 7 4T 器正常工作 因其控制极获得触发电压而正常工作 1 KS 于是逆变器输出电压通过转换开关加负载上 1 KS 逆交器出现故障时 图 4 2 中 A 点电位为 0 晶体管截止晶体管截止 18v 直流电压无法通过加到 5 4T 9 4T 9 4T 脉冲变压器 B 1 的中心抽头 6 脚与地之间 由与组成的脉冲分 6 4T 7 4T 配器 由组成的变换器便停止下作 转换开关因其控制极 916 44DD 1 KS 无触发电压而停止工作 晶体管截止晶体管导通晶体管导通 18v 直流电 14 4T 12 4T 10 4T 压通过 加到脉冲变压器 B 2 的中心抽头 6 脚与地之间 10 4T 12 4R 19 4R 由与组成的脉冲分配器 由组成的变换器便正常工作 1 4T 2 4T 18 44DD 毕业设计 论文 23 转换开关因其门极获得触发电压而正常工作 2 KS 于是市电电压便通过转换开关加到负载上 2 KS 5 5 充电电路充电电路 充电电路的功能是在市电正常时对蓄电池组进行充电 并对蓄电池 组进行日常维护性浮充充电 以满足蓄电池组自故电的要求 在充电初 期 以恒流方式充电 在充电后期 以恒压方式充电 最后以浮充方式 充电 充电电路是由主电路和控制电路组成 其电路如图 5 1 所示 图 5 1 充电电路 5 15 1 充电电路的主电路充电电路的主电路 由图可看出 主电路是由单相整流桥 升压式开关电路组成 其简 123456789101112 A B C D 121110987654321 D C B A Title NumberRevisionSize A1 Date 14 Jun 2007Sheet of File G BAC99F 1 DDBDrawn By 61 8 5T3 L3 C1 5T1 5T2 5ZD15ZD2 5R45R35R25D25D3 5R6 5C14 5C15 5D1 5R10 E 5R7 5R10 5VR1 5R115R12 5R15 5C17 R 5ZD5 5R5 5C16 5C13 5R16 C125C11 5ZD4 VCCVCCVCC 5U2 14 32 5U1 3 6 1 8 47 3845 V o 毕业设计 论文 24 化电路如图所示 图中是整流桥输出电压 是输出端电压 T 是 d V 0 V 与的并联是限流电感 D 是隔离二极管 T 的栅极信号如图 1 5T 2 5TL 3 L 1 5D 5 2 所示 图 5 2 简化电路及波形 1 工作过程 在期间 0 t 1 t 场效应管 T 的栅极加上电压 并且 故 T 导通 电源电 G V G V TH V 压几乎全部加在限流电感两端 即 d V L d di LV dt 设 时 t 0 t0 L i 则 d L V it L 的波形如图 5 2 所示 电源中电能被转变为磁能储存在限流电感 L i L 中 二极管 D 截止 输出电压等于蓄电池电压 0 v 在期间 1 t 2 t 场效应管 T 的栅极加上的电压为 0V 故了截止 通过限流电感 L 中 的电流呈下降趋势 它两端产生反电势 其极性是右 左 该 L e 电势与电源电压顺串 通过二极管 D 向蓄电池充电 蓄电池两端电压 d V 逐渐升高 即 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAMPL ES 31 DDBDrawn By L D V d V G T V o V G t1 tofft2 t t t V L 0 0 0 b aiL 毕业设计 论文 25 0 V d V L V 逐渐减小 其波形如图所示 L i 以后便以周期 T 重复上述过程 于是蓄电池两端电压逐渐升高 其 电解液的密度逐渐增加 2 输出电压的计算 在电流连续的情况下根据能量转换观点 整流桥输出能量全部转换 为蓄电池化学能 d V IT 0off V It 则 0 V d off T V t 1 1 d on V t T 令 a 占空比 on t T 则 0 V 1 d V a 上式表明 由于 1 a l 故 故该电路称为升压式充电电路 o V d V 由于 a 1 a 故改变占空比 a 便可以改变充电电压 o V 5 25 2 充电电路的控制电路充电电路的控制电路 控制电路的功能是为主电路提供占空比可以改变的驱动脉冲 控制 电路是由脉宽调制器和外部电路构成 脉宽调制器采用的是双排列 8 脚 集成芯片 3845 集成芯片如图 5 3 所示 1 高压保护 3845 集成芯片内部的输入端 7 脚 5 脚 设置了 34V 齐纳二极管 保证其内部电路在 34V 以内工作 防止高压可能带来的损坏 2 欠压锁定器 欠压锁定器跨接在集成芯片输入端 当集成芯片输入端电压低于 7 9V 时 欠压锁定器将芯片内部电路锁定 停止芯片工作 整个电路消 毕业设计 论文 26 耗电流仅为 1mA 保证集成芯片在极低电流情况下启动 当集成芯片输 入端电压高于 8 4v 时 欠压锁定器将集成芯片内部电路开启 整个电路 处于正常工作状态 电路消耗的电流为 15mA 图 5 3 3845 内部电路框图 3 基准量源 基准量源是线性稳压器 输出电压 5V 输入电流 50mA 其功能是 为芯片内部其他部件提供工作电压 其电压经过分压后 变为 2 5V 为 误差放大器同相端提供基淮电压 同时 由 8 脚输出 5V 电压供外部电路 使用 4 误差放大器 误差放大器的功能是放大电压误差信号 它是由基淮电压 2 5V R V 检测电压及补偿网络 运算放大器组成 其电路如图 5 4 所示 0 V f R f C 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 13 Jun 2007Sheet of File D Program Files Design Explorer 99 SE PR5AD0 1 DDBDrawn By C R2 R 7 5 34V 2 5V 5V PW M 4 2 1 3 6 8 毕业设计 论文 27 由图可看出 基准电压 2 5V 接在运放的同相端 输出检测接在运 R V 0 V 放的反相端 补偿网络 接在运放的反相端与输出端之间 通 f R f C 过改变 的值来改变闭环增益和频响 f R f C 由图 5 4 可看出 输出信号为 v V 0 vR VK VV 图 5 4 误差放大器 5 电流传感比较器 它的功能是将电流信号与误差放大器输出信号进行比较 在比较器 输出端获得脉冲信号 其波形见图 5 5 所示 由图 5 5 可知 若不变 输出脉冲宽度取决于上升率 若通过 v V i V 场效应管的电流大 上升到所需要的时间就短 输出脉冲窄 反 D i i V v V 之 输出脉冲宽 若电流信号升率不变 比较器输出端脉冲宽度取决于电压误差放 i V 大器输比信号的大小 若大 上升到所需要的时间长 比较器 v V v V i V v V 输出端脉冲就宽 反之 比较器输出脉冲窄 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 11 Jun 2007Sheet of File G PRE VIO 2 DDBDrawn By Rf Cf Text V R V o V v 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date 11 Jun 2007Sheet of File G PRE VIO 2 DDBDrawn By V v 0 V i 0 V o 0 t t t 毕业设计 论文 28 图 5 5 波形图 根据图 5 1 的基本功能 可将其等效为图 5 6 由图 5 6 可见 功 率 MOSFET 的栅极接有取样电阻 R 其两端电压信号经滤波后 作为电流 传感比较器的同相端输入信号 若由电压放大器加到电流传感比较器 反相端的信号不变 则功率 MOSFET 管流过的电流必然受到限制 若 v V 因某种原因变大 则功率 MOSFET 管流过的电流随之变大 但由于 v V 受电流传感比较器反相端 1V 稳压管的限制 其值 v V 图 5 6 图 5 1 的等效电路图 不可能超过 1V 所以功率 MOSFET 管流过的电流是有上限的 即该电路 具有限流功能 5 35 3 充电过程充电过程 充电初期 蓄电池两端电压较低 分压器两端电压也低 稳压控制 器 TL431 的控制电压小于其开启电压 稳压控制器截止 电压信 3 5T 3 5T 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAM PL ES BA421E 1 DDBDrawn By L3 61 8 5T 3 2R R 5R6 5C14 V d 5T 1 E V v U V i 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2007 Sheet of File D PROGRAM FILES DESIGN EX PLORE R 99 SE EXAM PL ES BA421E 1 DDBDrawn By L3 61 8 5T 3 2R R 5R6 5C14 V d 5T 1 E V v U V i 毕业设计 论文 29 号不能通过光电耦合器加到 3845 芯片的 l 脚 场效应管的电流通 1 2 5T 过向充电 形成电流信号加到比较器 U 的同相端 比较器反相 6 5R 14 5C i v 端接固定电压 是由误差放大器输出端的电位通过 2R R 分压形成 v V v V 的 若充电电流大 则通过场效应管的电流也大 电流信号上升 1 2 5T i v 快 上升到所需要的时间短 比较器 U 输出的负载脉冲窄 非门输 i v v V 出的正脉冲也窄 场效应管导通时间短 电感中储能少 充电电 1 2 5T 3 L 流减小 反之亦然 故维持值流充电 蓄电池两端电压随充电