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船用小型UPS电源系统设计摘要随着社会的发展，UPS电源系统越来越得到人们的认可。本文介绍了基于SPWM控制技术的船用UPS电源系统的设计。该装置能在常用电源出现问题时，短时间保证船上各种重要设备，如通讯设备、监控设备、基础照明设备等正常运行，能很好的达到电源不间断的目的，更具有体积小、效率高、常用电源与备用电源转换快速的特点。一个完整的UPS电源系统一般包括整流部分、充电部分、逆变部分。如此一来，良好的UPS系统肯定离不开电力电子技术的应用。本文介绍了国内外船用UPS电源的发展和现状，在电力电子技术的基础上对整流电路、充电电路、逆变电路进行了阐述分析，研究了UPS系统的基本原理。本文首先分析了设计要求，构思了UPS系统的总体拓扑结构，需要哪些电路模块。设计采用双极性正弦脉宽调制（SPWM）技术，SPWM波由波形发生器SA4828产生。沿用传统的交直交变频方案，主要由整流电路、充电电路、逆变电路、滤波电路组成。整流电路采用单相桥式不可控整流电路；逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，开关器件使用MOSFET管；控制电路采用SA4828波形发生器进行变频控制，80C196KC单片机控制SA4828的输出；且本文设计了电压闭环反馈系统，实时监控电压的输出；有过电流保护程序，电流过大时能自动关闭PWM波的输出；有电压显示环节。本文根据要求设计了单片机的程序流程图，并在最后对主电路进行了仿真。关键词：船用UPS；SPWM技术；逆变电源Abstract With the development of society, UPS power system has been recognized by people. This paper introduces the Marine UPS power supply system design based on SPWM control technology. The device can guarantee the normal operation of various important ship equipments in short time, such as communication equipment, monitor equipment, basic lighting equipment when the common power have problems. UPS can reach the purpose of uninterrupted power supply perfectly, and it has the advantages of small size, high efficiency, fast conversion between common power and standby power. A complete UPS power system generally includes rectifier circut, charging circut and inversion circut. So, good UPS system must depend on electricity electronic technology application. This paper introduces the development of domestic and international Marine UPS power supply, and the status quo in power electronic technology, on the basis of power electronic technology, we have analyzed rectifier circuit, charging circuit, inverter circuit, and this paper analyzes the basic principle of UPS systems. This paper analyzes the design requirements first, and conceives the UPS Topological structure, what circuit module is needed. We adopt dual polarity sine pulse-width modulation (SPWM) technology, SPWM wave is produced by SA4828 waveform generator. The UPS designed in this paper adopts the traditional ADCDAD methods, mainly consists of rectifier circuit, charging circuit, inversion circuit and filter circuit. Rectifier circuit adopts single-phase uncontrolled bridge rectifier circuit; Inversion circuit adopts three-phase bridge of the voltage type inversion circuits, MOSFET tube is used as switching device; The control circuit adopts SA4828 wave generator for frequency conversion control, SA4828 output is controled by 80C196KC SCM. And this paper designs of voltage close-loop feedback system to monitor the output of the voltage in time; UPS system has over current protection program, the system can automatically shut off PWM waves when the output current excessive; This pape have voltage display links. This paper has designed single-chip microcomputer program flow chart according to the requirements, finally have simulation to main circuit.Keywords: Marine UPS; SPWM technology; inverter power目录前言11.1设计任务要求及内容21.2 UPS简介2第2章 SPWM控制方式62.1 PWM控制的基本原理62.2 PWM波的控制方法62.3 异步调制和同步调制8第3章 主电路的分析与设计103.1整流变压电路及其器件的选取103.2充电电路的设计123.3 蓄电池的选择和注意事项133.4逆变电路的设计143.5 滤波器的选择153.7 隔离变压器16第4章 控制电路的设计174.1 检测电路174.2 80C196KC简介184.3 SA4828芯片的介绍204.4 输出显示214.5 驱动电路214.6 直流稳压电源21第5章 软件的设计23第6章 仿真25结论29致谢30参考文献3131前言随着科学技术的发展，各种电气设备、机械设备越来越普及，甚至成为生活必需品。这些设备的第一保障不是别的，就是电源，UPS技术也就随之而生。UPS是Uninterrupted Power Supply的缩写，即不间断电源系统。现代船舶采用了柴油发电机机组并网运行来产生船舶照明及电气设备所需要的交流电源。但是柴油发电机的转速常常会发生波动，而船舶电网的容量有限，这样会使船舶交流电网的母线电压以及运行频率发生较大波动。另外船舶中电力拖动设备需要变频变压的交流电源，而柴油发电机一般工作在产生恒压、恒频交流电的状态。且由于多种设备集中在船舱狭小的空间内，海上航行波动大，这对船用UPS电源的抗电磁干扰及可靠性提出了严格的要求。为了解决上述问题，UPS电源系统在船上得到了广泛的应用。UPS有非常明显的优势：第一，在线式UPS能大幅度降低电源的波动。柴油机组的电源波动频繁，电压很不稳定，通过UPS逆变后能隔绝柴油机组直接向负载供电；第二，后备式UPS能保证常用电源出现问题时及时供电。一些意外或操作失误引起常用电源出现故障时，后备式UPS会及时切换供电系统，向重要负载供电，如通讯系统、监控系统；第三，现在的UPS多采用数字技术，相比硬件电路而言能极大的减少发热，保证设备的环境温度不会过高，降低散热成本。当然UPS系统不会一蹴而就，也经过了长期的发展完善。最早的UPS现在看起来是那么的不可思议：采用了最原始的机械储能方式在发电机组上带一个数千斤重的大转轮，市电故障后该系统只能维持正常供电几秒钟。现代的逆变式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能而言，它经历了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从短延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不间断供电到智能化操作和处理功能的发展历程。随着蓄电池技术和电力电子技术的发展，其控制电路也发生了很大的变化，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的集成芯片控制，由硬件控制发展到软件控制，如软件控制输出电压、输出频率；甚至光纤通讯也被引入UPS，而且，微处理器也已被广泛应用于中小容量的UPS中，甚至还专门为蓄电池做了监控电路，以保证蓄电池随时处于最佳状态。随着计算机网络结构的飞速扩展，现在网络中应用的UPS不仅仅是单纯的供电系统，而逐渐成为整个网络中电源的控制管理中心，各种事故的处理、数据的存储也都经过UPS系统进行，真正实现了智能化、多功能化。现在，许多先进的UPS自身就融合了多种技术，UPS不仅提供不间断电源，而且当常用电源出现故障而没有人及时发现时，UPS能自主的依次关闭作为负载的用电设备，并发出警报让用户及时知道并处理。现代的UPS与主控软件本就是一个系统，通过电路和程序的设计，还能实现事件记录、故障报警、UPS参数自动测试分析调节等多项功能，提供了相对完善的电源管理解决方案。有些UPS甚至可以对环境温度、湿度等进行监视。UPS的智能化还表现在“绿色UPS”上。“绿色UPS”相对加强了节能功能，可以减少系统使用的电能量，既减少了成本，又能对环境保护做贡献。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会关闭打印机的电源。当出现打印请求时，UPS可以马上给打印机恢复供电。随着“绿色UPS”的出现，又为节约能源提供了理想的解决方案。1章 绪论1.1设计任务要求及内容众所周知，海上航行存在一定的风险，还不能完全避免事故的发生。这就有必要保证一些重要负载如呼救系统片刻不能间断电能供应。本课题设计一个为船舶通讯设备、应急照明设备、控制设备提供性能可靠的后备UPS电源，此UPS电源采用船上蓄电池组供电，蓄电池组电压为168V，要求此UPS电源能够提供线电压为66V，最大输出电流为20A，供电时间为30min，当输出由空载变为满载时输出电压下降率不超过2.5%。设计此UPS电源的主电路拓扑结构图、控制电路以及相应的过压过流保护电路，要求设计此UPS与常用电源实现合理切换方案，设计蓄电池充电回路。图1.1 UPS结构图设计的基本内容：（1） 根据要求设计出主电路的结构形式，画出主电路的原理框图。（2） 主电路各个元件的参数计算和型号选择。（3） 研究UPS与常用电源的合理切换。（4） 设计蓄电池组的充电回路。（5） 对系统进行仿真和研究。（6） 整理设计数据资料，设计总结，撰写论文。1.2 UPS简介UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分，能够提供恒压、恒频的不间断电源。UPS的起源很早，在上世纪50年代就有UPS的身影。到如今，随着电力电子技术的发展，UPS技术已经比较成熟，相对完善。UPS按工作状态分为在线式、在线互动式、后备式三类。在线式UPS（Online UPS）工作模式为市电经过整流环节后变为直流，直流一方面电对蓄电池充电，蓄电池放出的直流电再经过逆变环节向负载供电，另一方面直接经逆变向负载供电。如此一来，市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备，UPS在全过程中运行。其优点是输出的波型和市电一样是正弦波，而且纯净无谐波，不受市电不稳定的影响，电源质量很高。图1.2 在线式UPS结构图在线互动式（Line-Interactive UPS ）又称线上交错式或线上互动式，基本运行方式和离线式一样，它不像在线式全程运行，但时刻监控常电的运行状况，具有电压补偿电路，本身能进行升降压。其优点在于能及时校正市电的波动或异常，减少电路的不必要切换，延长蓄电池使用时间。后备式UPS又称非在线式（Offline UPS），它不会参与常电的工作，只是一种备用性质的电源。市电分为两部分，一部分可直接对负载供电，另外一部分经整流后对蓄电池组充电，蓄电池经逆变、稳压后提供给负载，两部分之间通过静态旁路开关切换。常电异常时，图1.3 后备式UPS结构图UPS启动，保证设备的正常运转。优点是多了一组备用电源，不怕市电短时间停止供电。UPS的控制多采用脉宽调制方法。脉宽调制的波形可以由硬件电路产生，也可以由软件编程得到。现代的UPS基本是采用软件编程控制方法，即由软件产生PWM波来控制UPS的输出。正因为UPS作为电源的不间断性这一良好性能，它得到了广泛的应用。航天领域、通信领域等，只要是重要的电气设备，都会加入UPS这一模块。船舶领域使用的尤其频繁。在茫茫无边际的海洋，一条船孤单的行驶着。一旦常用电发生异常情况，UPS立刻投入使用，也许避免了与前方不远处的冰山相撞；也许避免了驶入水流异常的海域；如果是晚上，则避免了船内一片黑暗的情况出现；即使常用电不能恢复正常，也能及时通过通讯设施、呼救设备向外界或其他船只发出求救信号，也是不幸中的大幸。UPS对海上航行的船只是一种安全保障，更是对船员安全的一种保障。现代UPS的发展方向是高频化、小型化、智能化、自动化、网络化和环保化。随着新技术、新器件和新材料的不断出现，UPS高频化有了可能。（一） 高频数字化、小型化和环保化 高频化的目的是为了小型化和数字化，高频化是小型化和数字化的基础，为了小型化就必须取消影响小型化的电池变压器。环保化有两个内容：一个是电气的，比如电磁兼容的内容；一个是物理的，比如可闻噪声和铅汞等对空气的污染，严重影响了工作人员的身心健康。为此，国际上对电气的和物理的污染早已提出了限制标准，比如专门对UPS提出的关于电磁兼容的标准EN50091-2；对铅汞之类的重金属的污染，2003年2月，欧盟通过了关于报废电气电子设备指令（WEEE）和关于在电气设备中限制使用某些有害物质指令（ROHS）。按照ROHS指令，到2006年7月1日，投放欧盟的电器不得还有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等6种有害的物质。我国政府也于近期正式出台了电子信息产品污染控制解决办法，该办法中明确规定在制造过程中应当减少，甚至避免使用铅、汞等有毒物质的使用。（二） 网络化和智能化网络时代的UPS产品已经由独立的外部设备产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分，除了要求UPS产品可方便地接入网络和计算机系统，有些还要求实现UPS与网络和计算机之间的双向通信。为了实现网络连接，目前大多数UPS产品都提供了RS-232，RS-485通信接口，对于要求能执行计算机网络控制管理功能的UPS来说，还配置了简单的网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）卡，实现了UPS设备与网络和计算机的连接。由于微处理技术的应用，UPS产品实现了智能化。智能化的UPS一方面实现了设备运行过程中的自我监控，对一些异常情况进行预处理，使UPS运行更稳定可靠。另一方面也实现了UPS与计算机网络系统的双向数据通信，用户可以通过计算机和网络的各个节点实时监控UPS电源的运行状态，能随时准确掌握UPS各种参数（如输入输出电压、电流、频率，报警信息）。但为了安全需要，一般会把控制功能的通道关闭。智能化的另一个作用是自动化，UPS能自动完成一些自我检测、开关的闭合、故障保护后的自我恢复，不需要太多的人员，节省了部分人力。（三） 监控软件多平台与监控远程化现代网络已经基本实现了全球化，也变得越来越复杂，不同形式的网络系统经常连接在一起。UPS作为网络系统的一部分，必须能够在各种不同网络平台上监控，目前许多UPS生产制造公司如APC、山特UPS的监控软件都提供了多平台支持。实现远程化监控是UPS产品发展的又一趋势。（四） DSP技术和高频技术随着数字化技术的发展，DSP（digital signal process，数字信号处理）技术开始在UPS系统上使用，DSP技术的使用提高了UPS产品输出电压的稳定性和纯净度，同时提高了UPS产品本身的可靠性。而IGBT技术和高频技术的应用大大提高了电源的效率，降低了系统噪声和电源自身的功率损耗，也提高了系统的可靠性。（五） 电压串并联技术使用电压串并联调整技术（也称Delta变换技术）在保持了传统双变换在线式UPS全部高性能输出指标的同时，也对电网适应能力和供电能力两个方面有了重大改变和突破，能够实现零转换时间和高输入端功率因素，有效地降低了前配发电机的容量，并大大降低了对电网的污染。（六） 并机运行和冗余技术以前的UPS大部分是单机运行为主，随着包括计算机在内的电子设备的增加和应用，几百千伏安的容量已经不能支持所有设备的用电，一次性购买大功率产品显然不经济，因此模块化功率产品的出现被认为是UPS系统发展的一个重要方向，有时多个小功率模块采用并联技术连接后实现并网运行，可以方便灵活地配置整个电源系统容量。但并联不一定是冗余的，冗余的目的是为了提高可靠性，有时并联的目的是为了增加容量。为保证系统的高稳定和高可用，配置多台UPS设备并机运行实现电源容量的冗余也是UPS发展的一种趋势。（七） 国内外产品的差异国内外UPS产品的差异更多的是体现在小功率产品中。由于国内电网供电质量差，因此国内的小功率产品更多的注重电气性能指标的设计，一些先进的数字化技术并没有在小功率产品中得到应用，外形设计虽有所改观，但与国外产品还存在较大差距。国内的工频为50赫兹，国外一般为60赫兹，如果是国外进口的产品，UPS内部一般会有一个变频部分。（八） 环保化的进展如前所述，对于UPS电源来说，电磁的兼容性就是一个环保问题.UPS对环境的污染包括两个方面：电气方面，如各种频率的噪声干扰等，这种噪声由于频率比较高，超过20K赫兹，属于超声波，人耳听不见，但会干扰其他机器的正常工作;物理方面，如可闻噪声，这种噪声频率较低，人耳能听见，会影响人的情绪，久而久之会对身心健康产生不利影响。现代UPS的环保化主要体现在两个方面：一是环保化的设计，比如采用高频脉宽调制，使滤波环节更小巧，抑制干扰效果更好；二是环保化的生产，如用无害元素代替有害元素。（九） UPS的模块化UPS单元UPS单元UPS单元UPS单元近年来N+X冗余模块式UPS发展很快。UPS模块化结构大抵有两种方案。功率模块并联法和UPS单体并联法。前一种结构的优点在于能使各功率模块的输出电流平均分配，再不用外加任何并联电路环节，所以控制电路比较简单，降低了成本，又避免了并联电路带来的检测和控制调整上的麻烦。另外由于功能分离，第一减轻了重量，移动比较方便；第二备份利用率高，比如备份构成的单机的一个功率模块和一个电池模块就可以分别更换，为用户节约了成本。不足之处在于：各功率模块不能独立逆变工作，在任何时候都不允许控制模块故障。单体并联法优点在于每一个模块功能完整的UPS系统，即使不放置在原来的电柜上也能单独使用。换言之，备用模块在备用期间也能拿出来使用，提高了备 图1.4 功率模块并联图用器材的利用率。由于控制电路和功率模块在一个机柜内，降低了因连接不牢而导致故障的概率，在冗余模块配置允许范围内没有最低故障模块类型的限制。不足在于分离式备份无法分开，必须备份整机单元，也不可以拆分更换。 图1.5 UPS单体并联图第2章 SPWM控制方式2.1 PWM控制的基本原理PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过调制一系列脉冲的宽度，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在闭环反馈控制中的应用十分广泛，尤其是在逆变电路中，控制效果最明显，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。甚至可以说正是因为PWM控制技术在逆变电路中的显著效果，有大量的人员去研究、改革，才使PWM技术发展的比较成熟。PWM控制的基本原理有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量就是窄脉冲的面积，即面积相等而形状不同的窄脉冲加到具有惯性的环节上时，其输出响应波形基本相同。通过傅里叶变换分析输出波形，发现低频段波形基本一致，仅在高频段有些微差异。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来替代一个正弦半波。（a） （b）图2.1 用PWM波代替正弦波把图2.1中a的正弦半波按频率分成等宽的N份，就可以吧正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列。这些脉冲等宽不等幅，且脉冲顶部是曲线，脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把这一系列脉冲序列按面积相等的原则，使用一系列等幅不等宽的脉冲代替，就得到了图b中的脉冲序列，这就是典型的PWM波形。根据面积等效原理，PWM波和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用相同的方法得到反向PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。要改变等输正弦波的幅值时，只需按照比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。2.2 PWM波的控制方法（1）计算法所谓计算法，就是当我们一旦确定了逆变电路所需输出的正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数，根据前述的面积等效的基本原理，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，进一步计算出各脉冲的前、后沿时刻，于是便可得到所需的PWM波，以此直接控制逆变电路中各开关器件的通/断，便可在负载上得到所需要的PWM波形。由于逆变电路的输出参数会不断改变，计算任务繁重，所以计算法在实际中很少采用。（2）调制法实际中普遍使用的主要是调制法，结合下图2.2单相桥式电逆变电路进行说明。工作时和通断互补，和通断也互补。当在正半周时，通，断，和交替导通，负载电压只有和零两种电平。当在负半周时，保持开通，保持断开，和交替导通，负载电压只有也是和零两种电平。图2.2 单相桥式PWM逆变电路图2.2 单相桥式逆变电路控制IGBT通断的方法如下图2.3所示：图2.3 单极性PWM控制方式波形一般需要统一的三角载波，调制信号从输出反馈中获取，为正弦波。与正半周一样，在和的交点时刻控制IGBT的通断。和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式，即SPWM控制方式。图2.2的逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图2.4所示。采用双极性方式时，在的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也就有了负半周。在的一个周期内，输出的PWM波仅仅有Ud两种电平，而不象单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当调制波大于载波时，和导通，V2和V3关断。时，和导通，如时，和导通，等于。当调制波小于载波时，和导通，和关断。时，V2和V3导通；时，和导通，等于。由此可见不管哪种情况都是与相等。图2.4 双极性PWM控制方法可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。2.3 异步调制和同步调制在PWM控制电路中，三角载波频率与正弦调制信号频率之比N称为载波比。根据载波和调制波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。（1）异步调制法载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率固定不变，因而当信号波频率变化时，载波比N试变化的。同时，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。（2）同步调制载波比N是固定常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是恒定的，相位也是恒定的。在三相PWM逆变电路中，会有一个公用的三角波载波，且取载波比N为3的整数倍，以满足三相输出波形对称的要求。同时，为了使同一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。图2.5所示的例子是N=9时的同步调制三相PWM波形。图2.5 同步调制三相PWM波形同步调制方式比异步调制方式复杂多变，微机控制的加入使其变得时容易实现。PWM控制方法还有其他的发展方向，如EPWM，有如SVPWM。阶梯波等脉冲宽度调制（Equal Pluse Width Modula-tion，简称EPWM），其核心思想是将电路中的各桥路按照波形逼近法或消除特定谐波法得到谐波含量为最小的阶梯波，然后再用EPWM法对波形进行斩波控制，得到谐波含量小又能进行PWM调压的PWM阶梯波波形。其中波形逼近法简单易行，主要通过给定触发角使级联后输出电压波形最大限度地接近正弦波。如下图2.6所示：图2.6 逼近法空间电压矢量法（SVPWM，也称磁通正弦PWM）是从电动机的角度出发，着眼与如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通，它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能如下图2.7所示。 图2.7 空间电压矢量法除了PWM控制方式外，逆变还有其他的控制方式，如最早的方波控制。120方波控制与PWM控制技术的相似处在于PWM波也可算作方波的一种，但PWM波频率远大于方波，120的导电方式也已经被180导电方式取代。PWM控制技术开关管的功率和耐压限制，不能实现高压大功率输出，开关管的串联会引起静态和动态均压问题。此时，有人提了多电平逆变技术，即通过增加电平数来减小逆变输出的谐波和电压波动。开关器件的数量是增加了，但都是低频开关器件，较为经济，容易实现。第3章 主电路的分析与设计完整的UPS系统包括几个模块：整流部分，充电部分，逆变部分，滤波部分，电源转换部分（旁路部分）。设计的硬件结构如下图3.1所示：图3.1 UPS电源电路结构图将柴油发电机发出来的交流电经过变压器降压后输入整流器，整流电路采用三相不可控整流桥。把交流电变为直流电的目的是为了提供蓄电池的充电电源。蓄电池只能接受直流电的输入，使用变压器的目的时为了提供合适的充电电压，节省了在直流侧的DCDC变换环节，简化了硬件电路，提高了效率。3.1整流变压电路及其器件的选取整流的目的只是为了提供蓄电池的充电电源，蓄电池的电压为36V，充电电压有40V就够了，考虑到蓄电池的充满电压一般大于额定电压，取14V为充满电压，则3节蓄电池串联也只有42V，充电电压取45V足够，而且功率不大，因此不需要三相整流，使用单相整流电路就能够满足要求，电路图如下图3.2所示：图3.2 整流电路常用的单相整流电路是单项不可控桥式整流，由四个二极管组成整流桥。该电路的量值关系如下： 满载时输出电压最小，为： （3-1）空载时输出电压最大，为： （3-2）二次侧电流： （3-3）二极管承受的最大电压： （3-4）二极管一个周期内只有半个周期导通，则平均电流为： （3-5）设计充电电流为2A，则整流桥的输出电流也应该为2A，由公式（3-3）可计算出变压器二次侧的电流为2A，由公式（3-5）可计算出二极管平均承受的电流为1.414A。考虑到电网电压的波动，二极管的额定电电流要放宽1.52倍，取1.57倍，则二极管的通态平均电流为： （3-6）可取1.5A。三节12V蓄电池串联的电压为36V，充电电压设为45V，即整流桥的输出电压为45V。由公式（3-1）可计算出变压器二次侧电压大约为50V，由公式（3-4）可知二极管承受的最大电压为70.7V左右，取72V。留23倍的裕量，则二极管的耐压值在200V左右。变压器二次侧的功率为： （3-7）滤波电感的选择： （3-8）取Idmin值为50%的IN，则 （3-9）把（3-8）代入（3-7）中可计算出L的值为129.15mH，取130mH。滤波电容的选择： （3-10）则 （3-11）取1/4的周期为t，为5ms则电压的变化刚好从最大值变为最小值。按要求的电压变化范围，如要求电压的变化幅度在5%，则 （3-12）由公式（3-11）计算可得： （3-13）可使用两个2200uF、一个470uF的电容并联得到。 电路中有LM358芯片，工作电压为12V，需要7812三端稳压管，如果直接由电阻拉电压给7812作为输入，电压浪费太多，需要变压器提供一个低电压，通过半波整流电路后作为7812的输入。半波整流的电压数值关系如下式（3-14）： （3-14）把半波整流的输出电压定为18V，则变压器二次侧的电压为40V，电流取500mA，则变压器的功率为： （3-15）变压器的总功率为： （3-16）考虑到效率问题，变压器的输出功率小于容量。设效率为90%，则 （3-17）留一定的裕量，可取300W的变压器。选取型号为BK-300VA的变压器，它有两组输出电压，变比可根据需要选取，本文选取的变比分别为220:50、220:40。由以上计算可选取器件。单相桥整流二极管选IN5393，参数为1.5A/200V；半波整流二极管选IN5393，参数为1.5A/100V。3.2充电电路的设计蓄电池充电电路如下图3.2，运放需要的工作电压由7812三端稳压管提供。7812前后各有两个电容，目的是滤波，使输出的12V直流电压更稳定。但三端稳压管的输入电压不能过高，40V已经超过的它的输入极限，需要从交流侧获得一个较小的电源，使用单相半波整流获取该电压，如上图3.2。充电电路如下图3.3所示：图3.3 充电电路40V的电压经电容、滤波，使输入的电压波形更稳定。、六个电阻起过电流保护作用。如上图所示，正常时比较器的正向输入电压比反向输入电压高，运放的输出呈高电平，黄灯不亮。电流过大时，电阻的分压变大, 、串联的电阻电压下降，、所分电压自然也降低，运放的正向输入电压下降；与正向输入相比，反向输入的电压，也就是的分压会同步增大。这样一来，反向输入比正向输入大，运放输出低电平，黄灯亮，提醒用户电流异常。同时三极管关闭，的基极电压升高，随之关断，充电不再进行。电压的控制是关键，反向输入的分压比为27/(27+47)，正向输入的电压比可调，为22/(22+47) 和32/(32+47)之间。分压比一样时，由于正向有电阻压降，会使反向输入大于正向输入。因此正向电压比一定大于反向电压比，具体数值与充电电流的大小有关，计算的理论值不会很准确，可以在实际测试中调整滑动变阻器，到满意为止。电压经过、，在的基极形成一个高电压，使导通，二极管随之亮起来。的基极电压被拉低，的集电极有高电压，会导通。电流能流过，电压传递过来，给36V的串联电池组充电。运算放大器的正向输入为5V，由5V的稳压二极管提供。反向输入的电压为的电压降。在蓄电池、组成的回路中,的电压为： （3-18）如果蓄电池充满时的压降为5V，则有： （3-19） （3-20）即的阻值取24。这样一来，蓄电池充满电时运放的正反相输入电压值相同。我们的要求是蓄电池没有充满时发光二极管不亮，充满后会亮绿灯。即充满电后运放的输出为低电压，相当于反向输入电压高于正向输入电压。这样的阻值应该偏小，但不能小太多，否则蓄电池不能充满，可取 2024 之间，通过滑动滑片可得。如取22，反向输入电压为5V时： （3-21） （3-22）蓄电池电压能充到41V，与42V非常接近。电池充满后运放输出为高电平，扬声器LS1开始鸣响，提醒用户蓄电池电已经充满。整个充电过程中可能会出现三个现象：红灯亮表示正在充电；绿灯亮，蜂鸣器响表示蓄电池电已经充好；黄灯亮表示充电电流过高，出现异常。该电路只能为36V蓄电池充电，而设计要求需要蓄电池电压为168V，需要接入转换开关，每次只给3节串联的12V蓄电池充电。充满后扬声器会鸣响，提醒用户该组蓄电池已经充满，需要拨动转换开关，通过转换开关转换，为下一组蓄电池充电。三极管的选择：蓄电池的充电电压为45V，在正常运行时三极管不能被烧坏，三极管的电压应该留23倍裕量。则： （3-23）充电电流为2A，取1.57倍的裕量，则通态平均电流为2A。选择型号为A1265的三极管，它是PNP型的三极管，常用作开关器件，参数为140V/10A，功率为100W。3.3 蓄电池的选择和注意事项本设计的要求为蓄电池电压168V，如果采用12的蓄电池，需要14节蓄电池串联在一起.考虑损耗和电池电压可能会低于12V，特串联15节蓄电池，也能符合每次冲3节蓄电池的要求。最大输出电流为20A，供电时间为30分钟。根据电池容量计算公式 （3-23）式中代表蓄电池的容量，电表放电电流，代表放电时间。要求蓄电池组的容量大于10AH，考虑损耗，容量可适当增大。而串联的方式连接只能增大输出电压，容量还是单节的电池容量。可选用型号为山特24AH的蓄电池，它的额定电压为12，容量为24AH，完全符合要求。蓄电池在使用过程中往往因长期充电不足、过放电或外部短路等原因使极板硫化，从而使充电电压和电解液相对密度不容易提升。为了使蓄电池能良好的运行，对下列情况必须过充电：蓄电池放电超过放电极限电压；蓄电池放电后，停放几天没有及时充电；蓄电池极板抽出来过；以最大电流放电超过时间限度；电解液内混有杂质；个别电池极板硫化，充电时电解液相对密度不容易提升。通常对长期担负工作的蓄电池，每月至少进行一次过充电，对不经常使用的蓄电池，也因该至少2到3个月进行一次过充电。蓄电池充、放电是否完成可根据电解液的相对密度和蓄电池的电压进行判断。一般蓄电池充电到电解液的相对密度为1.2751.31时，正负极板的活性物质已接近于放出全部的硫酸，即电池已被充满。放电时。，蓄电池电解液相对密度到1.131.18时，正负极板的活性物质已接近于全部转化为硫酸铅，即蓄电池的“电能”已经放完。蓄电池的电压与电解液的相对密度有关，电解液的相对密度越小，电压就越低，反之则高。对于碱性蓄电池，充放电是否终了可根据电压判断。一般充满后的电压比额定电压大，是额定电压的120%左右。如12V 的蓄电池电压在14V时可认为选电池的“电能”是满的。蓄电池的种类不同，保养维护的要求也不同。对于酸性蓄电池：每10天要检查一次电压、电解液的相对密度及高度，并做好记录，如果低于规定值，应及时补充蒸馏水后进行充电，然后清洁表面；不经常使用的蓄电池，每月至少检查一次，并进行补充电；蓄电池的表面，每三个月进行一次彻底清洁，清洁时先用温水擦除接头处的氧化物，然后再涂上牛油或凡士林，防止氧化。对于碱性电池：每15天要检查一次电压、电解液的相对密度及高度，并做好记录，如果低于规定值，应及时补充蒸馏水后进行充电，然后清洁表面；每两个月检查一次蓄电池螺丝塞和透气橡皮套管，如果弹性失效应及时更换；每六个月要彻底清洁一次外表面，如果有锈蚀，应用煤油擦光，再涂上一层无酸凡士林。蓄电池的保养要注意一下事项：注意保持蓄电池表面及整体清洁，不要有油渍污垢在上面，决不允许在上面放金属工具、物品，以防造成短路，损坏蓄电池；保持极柱、夹头、铁质提手等处的清洁，如果出现电腐蚀或氧化物等应及时擦拭干净，保证导电的可靠性。平时应将这些地方涂上凡士林，防止锈蚀；平时注意盖好注液孔的上盖，防止船舶航行中电解液的溢出或海水进入到蓄电池，必须保持气孔的通畅；蓄电池放电终了，应及时按要求充电；蓄电池室内严禁烟火；碱性蓄电池充电时不要取下气塞，以防止进入大量碳酸气，致使电解液失效，一般每年或使用过50100次充放电循环，应更换一次电解液，注意保持气胶管通畅，定期打开气囊排气，防止聚气太多而造成蓄电池膨胀。3.4逆变电路的设计本设计的逆变电路采用电压型三相桥式逆变电路，如下图3.4：图3.4 电压型三相全控桥逆变电路开关器件采用全控型电力MOSFET，主要特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。第二个特点是开关速度快，工作频率高，热稳定性能好。但MOSFET电流容量小，耐压低，适用于10KW以内的电力电子装置。二极管起续流作用。该电路直流电源由于采用蓄电池供电，输出电压非常稳定，因此所需并联电容的值可以取小点，这里取电容值为470uF，电容的耐压值取450V。此电路正常工作时，每个瞬时有三个桥臂导通，同一相的上下两个桥臂要通断互补。为了防止短路直通现象，可采取先断后通策略。器件的选择：MOSFET管的耐压应该为直流侧电压的23倍，直流侧电压168V，则 （3-24）直流侧电压为168V，逆变后的电压有效值为66V，最大电流有效值为20A，取最简单的正弦波，则电流峰值为28.3A。根据功率相等原理有： （3-25）可以计算出直流侧电流为8A左右。 可选取型号为IRFP460的MOSFET管，它的参数为500V/20A，功率为250W。3.5 滤波器的选择对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器。其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率，滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号。利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及型两种。 图3.5 滤波电路本文设计的滤波器如右图3.5所示，通过未加滤波仿真，可知2K