充电电路的工作原理

1、充电电路工作原理蓄电池与逆变器对直流电源的要求不同：逆变器要求直流电源提供稳定电压；蓄电池要求直流电源提供的电压能随着蓄电池的充电过程而变化。为了解决蓄电池、 逆变器对直流电源的不同要求， 故 ups 分别设置整流器及充电电路。根据 ups 容量大小、工作方式不同，充电电路可分为恒压充电、恒流充电、分级充电等电路。介于充电电路在整个系统中的重要作用，我做了多方面的考虑，最后决定采用高压快速充电电路。在此所用的高压快速充电电路不但解决了 ups 内部蓄电池的快速充电问题，而且解决了一般不能快充外接蓄电池的问题。工作原理分析：该电路适用于长备用时间、大容量蓄电池的充电。它由以下几个部分组成：（ 1

2、）加电电路在不加交流输入电压时，继电器j2的中间触点 斗和b2相连，如果这时开关 k 是闭合的，那么外加蓄电池电压就和 ups 内部蓄电池形成并联结构，此时控 制电路由于没有电源而不能工作。当市电电压 220v 加到输入端时， 由于继电器j1 的触点处于断开状态， 因而交流电压 220v 就不能加到变压器t1 上。当按下按钮n1 时， j1 被激励，触点j1 闭合。这时电流经限流电阻 rx 加到变压器t1 上，等到变压器初级绕组的电压达到一定值时，j3被激励，触点闭合，将电阻rx短路。在交流220v加到输入端的同时，j2被激励，继电器触点a2转接到c2,于是电池组电压ub经r2、 vd6 加到

3、控制电路上。 n2 为按断开关，在未按下开关n2 时其处于闭合状态将两个单结晶体管振荡器的发射扳旁路，故振荡器不工作，电路处于静止等待状态。加电电路中之所以加入了j3和rx环节，是因为一般电源变压器的匝间电容使加电前沿的电流被旁路，磁通不能马上建立起来，形成很大的短路电流。如未变压器容量再增加，这种启动瞬间短路电流就会更严重。因此，在加电前瞬间用电阻rx限流，当变压器上电压升到一定值时，再将rx短路就可避免这种情 况的发生。当按下开关n1瞬间，由于有上述的过程，最好不要马上供电。在n2被按下, 该开关处于断开状态，电容c5 的充电能延缓振荡器的起振，只有当c5 上电压上；升到一定值时，振荡器才

4、开始工作。（ 2）振荡电路q1、r4、r5和c2、t2, q2、r9、r10、c3和t3组成了两套单结晶体管振荡器。之所以采用单结晶体管方案，是因为它电路简单而且能瞬时给出大的触 发功率，可直接驱动可控硅。在需要给蓄电池组充电的情况下，单结晶体管振荡器呈连续振荡，其波形 图如下图图2. 7单结晶体管振荡器波形ue为发射极波形，ebi为第一基极bl的输出波形，其振荡周期可用下式表 示：1 ,、t recem（2-2-10）式中，t为振荡周期（s）, re为接在单结管发射极的电阻（q）,这里是r5和 r9, ce为单结管射极的电容（f）,这里是c2和c3,为单结管的分压比。由基极变压器将控制脉冲加

5、到主回路可控硅的控制极上。单结管振荡器的发射极各与两个并联运算放大器的输出相连，因而它们的 工作状况受相应运算放大器的控制，振荡脉冲的有无与疏密随着相应运算放大 器的工作状态而改变。（3）测量与控制电路1）限流与恒流控制电路蓄电池经过一定时间的放电进行再充电时，初始充电电流很大，所以要进 行限流，即在充电电流超过其规定值以前，将其恒定在规定的限流值上。由图中可以看出，运放 ui的4端和6端均接基准电压，即 u1-4=ui-6,而 ui-5=ui-7的电压为两个电压之差，即u1-5=u1-7=u 1-5b=ui-5a ui-ab在上面的式子中，u1-5a为u1引脚5至a点电压，u5b为u1引脚5

6、至b点的电 压， u1-ab 为充电期间，充电电流在导线ba 上形成的压降，其方向和原来不充电时风上的电压极性相反。ui-5 u1-4运放 u1（lm339 ）输出开路，不影响振荡器工作。一旦充电电流很大时， 则u1-5=u 1-5a u1-ab=u 1-5a i 充 rab接近了u1-4=u1-6 值，运放进入放大状态，其输出就对两单结管发射极产生了旁路作用，从而降低了 c2及c3的充电速度，降低了脉冲频率，延迟了对可控 硅的触发时间，调整了导通角，达到了限流恒压充电的目的。2）电压测量与控制电路由图中可以看出，和运放u1的两输出端1、2并联的还有u2的两个运放输出端 1、 2，这就是电压的

7、测控环节。在高压充电电路的电路设计中是这样规定的：当充电电压在预设值以下时，运放的输入端电压u2-4 = u2-6u2-5 和 u2-7所以比较器u ； 的这两个输出端是开路状态， 两个振荡器都正常工作。 当充电电压ub达到第一限值时，u2的6端电平大于7端电平，则1端输出低电子， 振荡管q2的发射极被嵌位，于是由 q2构成的单给管振荡器停振，对应的可控 硅 vt2 截止，快充结束，只剩下浮充（实际上这时仍是快充，不过其平均充电电流减半）。当充电电平达到第二限值时，比较器u2的u2-4u2-5,使该组件为放大或开关状态，开始对第二只可控硅vt 1 进行相控，同时电压 ub 就稳定在这个电平上，

8、电压变化小于 0.1v。4）冷却控制电路这里采取的是强迫风冷。我们考虑到很多要求长备用时间的 ups 电源是昼夜 24 小时开机的，但充电电路在大部分时间内都处于浮充状态，平时并不需要让风机始终工作在强风冷却状态。为了延长风机的寿命，加入了冷却控制电路，由比较器 u1 的输入端8、 9 脚将信号引入，在电路进行全充电时， u1 的输出端14脚为低电平，所以比较器u2的输入电平u2-8u2-9,其输出端14脚输出低电平，使q4截止，其中心触 点与降压输出相连接,于是风机 fan 作降压运行，风力减弱，从而减轻了风机的磨损 ,节省了电力，降低了噪声。5）主回路主充电回路主要包括两只可控硅和两只二极

9、管整流器。为了提高触发效 率和进行隔离，采用了脉冲变压器隔离触发，在可控硅控制极的二极管是用来 对控制脉冲进行整形的。6)用继电器输出，实现了充电时与逆变器的隔离。 充电电路中各主要多数的计算(1)交流指示图中采用的10ma/1. 5v正向压降的发光二极管指示状态r1220v 22k10ma(2-2-11)一 2 一 一r i r 2.2w(2-2-12)(2) rx根据不同变压器容量取不同值， 在这里我们的参数是10kva,16块电池 (12x16=192v),浮充电压(设电池每单元浮充电压为 2.25v, 一个12v电池 由六个单元构成)u浮=(2. 25 x 6) x 16 = 216v

10、,熔断丝 rd取6a ,则：u 220rx 36(2-2-13)i rd 6功率px=iu =6 * 2 20 = 1320w(2-2-14)实际上，rx的使用只是一瞬间的事情，甚至来不及发热，j3已将其旁路了。为了保险起见，取10w足够了。(3) j1, j2和j3均取绕组电压为220v,触点电流为相应容量的继电器就 可以了。(4)稳压管dw8、 dw9的选取：使 uds+ ud= 24v,电流取10ma。其余各稳压管 均取 2cw54 (2cw13)型 6v/10ma 即可。(5)单结管振荡器图中单结管选用了 500mw的bt33f,由表查得 ”在0. 65085之间， 取0 75,其振荡

11、周期为 1t recein 1.39rece(2-2-15)1振荡周期较短可提高稳压精度，但不太显著；而较长其影响却非常显著, 取振荡频率为ikhz左右就可以了。若取t = 1ms,则trece1.391*10 330.719* 10(2-2-16)根据触发脉冲的宽度，取ce=0. 1后就够了，故re一 一 一 3也&* 7,19k_ 60.1 10(2-2-17)1.39(2-2-23)r14w2取8. 2kq0由于功率很小，取l/4w就可以了。以下的计算，如无特殊说明， 均取1/4w。(6)限流环节可以将其 则因为基准电压为6v,即运放ui的4脚与6脚电压为6v,只要电位器 wi 5脚、7

12、脚电压调到6. 5v即可，为此取通过 r7、w1的电流为lma,(2-2-18)24v 24k1ma那么uaupr7 w1w1(2-2-19)于是取标称值6.w18kq,upr7 w1 uar7=24-6.248=17.24 6k(2-2-20)2k0,取18kq0取18kq验算是否up6v。因为upw1uar7 w16.824 6.6v(2-2-21)24.8所以满足要求。(7)电压测控环节此电路电压分两挡控制，第一档为电池开始冒泡电压，第二挡为每单元电池达到2.25v电压。不同型号和不同厂家的电池其冒泡电压有所区别。对于开放式半密封胶体电池来说，通过加电过程的观察，按实际情况定；而对密封电

13、池, 每单元电压按2v计算。设胶体电池在充电电压使每个单元电压达到2.25v时为第一限，这时的充电电压为ub= (2.25 * 6) * 16= 216v(2-2-22)仍设电阻臂电流为lma,并设m点电压在216v充电电压时，um = 6v,于3 216k 1maw2r14 w2 um 216 6 k (2-2-24)ub216取标称值6. 8kq,则ri4=216-6=210kq,为使取值和第二限值统一，考 虑给 w2以较大的调节范围，故取 ri4=210kqo只要保证在第一限值 216v以 前 um 6v,在第二限值(2. 3 * 6) *16=220.8v 以前 un 6v就可以了。为

14、此，对上述两条分别作一个计 算，即只要保证将 w2=w3=6.8k q全值投入后，在216v充电电压时，m点分压 大于6v就可以了。第二种计算就不需要了，因为 216v时，um6v, 220.8v 时当然更大于6v 了。该计算是：(2-2-25)w2c6.8um2?ub 216 6.8 6vr14 w26.8 210计算结果满足要求。因此，只需根据要求把电位器值适当调小就可以了。(8)低压准备停机测量环节当电池放电时，原来充入的电荷会慢慢消耗，当电池组端电压降到一定值 时，就应停止再放电，否则将会损害电池。这里设每个单元电压低到1.75v (这 对多种电池都留有余量)时，r18上的电压ur18

15、 6v,使比较器u2的输出端13给出低电位，低压警告指示灯亮。同样设在每个单元电压为1.75v时，电阻臂r17、r18流过1ma电流，则：1.75 6 16vr17 r18 168 k(2-2-26)1ma6r18r17 r18 6k 取 6.2k q (2-2-27)168r17r7 r8r8 161.8k 取 168k q (2-2-28)那么ra6.2ur8 - ?ub 216 7.97v(2-2-29)r17 r18168也即电阻r18取大了，但r17和r18邻近的标称电阻又相差太大，最好取6. 2kq 的电位器更灵活一些。(9)电解电容的取值电路中的电解电容都是作平滑之用的。c1和c

16、6是作平滑辅助电源之用，它的作用是在充电脉动电压期间， 使辅助电压波动不要超过额定值的 5%。电容的 充电规律为(2-2-30)r2192v 24v30ma5.6k(2-2-32)uct ub 1式中t为充电脉冲持续时间。在这里作一级近似，即设原来c上的直流电压是不变的，只在充电半波高出电池电压的部分电容上电压才变动，则uct即为变动电压，而ub为充电电压脉动高出电池电压部分的峰值。而在此的交流峰值电压 um . 2 168v238v而电池标称值电 压为12vx16=192v , um高出 电池标称值 电压 46v,即 ub=46v,则：r2 ci c6(2-2-31)r2为降压电阻，控制电路

17、的等效电阻为 1kq,消耗电流30ma左右，也即(2-2-37)式中24v为辅助电源电压，r2上功耗为p2=30m* 60v=1.8w,所以r2取6kq/4w电阻。一般这样估算，即当电池电压在最低值(168v)时，开始充电，在高出168v的时间就是t,如下图所示：图2. 8充电时间图(2-2-33)(2-2-34)(2-2-35)(2-2-36)根据正弦波定义，电压瞬时值e u m sin t u m sin那么1 e 1 168sin sin36um23810ms x18036于是10x 36 2ms180t 10 2x 10 4 6ms而实际上，当电池组停止放电后，电压又回升很多，所以t6ms,为将电容量取得足够大，假设时间长