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1、湖南工程学院湖南工程学院课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书课程名称课程名称 电力电子技术电力电子技术 题题 目目 电脑在线式UPS 设计设计 专业班级 学生姓名 学号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2012 年 5 月 23 日设 计 完成日期 2012 年 6 月 6 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
2、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。进度安排十五周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十五周星期一十五周星期三：查找资料，确定设计方案，画出草图，自取课题名称；十五周星期四，星期五：电路设计，画图；十六周星期一上午星期二下午：掌握电路原理，打印出图纸； 十六周星期三：确定课题名称，书写设计报告；十六周星期四：书写设计报告；十六周星期五：答辩。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，20002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，20013. 陈汝全，电子技术常用器件应用手册，机械工业出
3、版社，19984. 钱希森，小型 UPS 原理及应用，科学出版社，20005. 张乃国，电源技术，中国电力出版社，19986. 李成章，现代电源及电路图集，电子工业出版社，20017. 张乃国，UPS 供电系统应用手册，电子工业出版社，20038. 陈治明，电力电子器件，机械工业出版社，1992一、一、UPSUPS 电源性能特点简单介绍电源性能特点简单介绍UPS 电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为 UPS 电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足 UPS 电源70的额定功率。UPS 电源系统按使用要求功率余量不大，
4、在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了 UPS 电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，都会造成主机出故障，严重时将损坏变换器。特点：1.无论是市电供电正常时，还是市电中断由电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响。2.由于其工作方式是先对电池充电，然后再由逆变器将电池的电能逆变变成交流，因此在电能的转化过程中有一部分电能将被损失掉。3.UPS 输入电压范围 指保证 UPS 不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提
5、供，而不是电池提供。4.UPS 频率输入范围 UPS 能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。二、二、UPSUPS 系统结构框图系统结构框图UPS 的结构原理如图 1 所示。UPS 是指当交流输入电源（习惯称市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。UPS 基本工作原理：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 电源由交
6、流输入滤波电路及整流电路、蓄电池充电回路、PWM逆变电路、控制电路等组成。图 1 UPS 结构原理图 三、三、UPSUPS 电源总电路设计电源总电路设计电路图如图所示，主要由市电供电及稳压调整电路、逆变电路等组成VTDDRgQ 1Q 2+15V-15VV DBAT TE RYV DRRCD CLCV T1V T2V T3V T4CT 212345678910111213141516SG352420nf2K5K100K15K300100uf2K4.7Kk+12vV D1V D3V D4V D2偿偿20K+-+ -+R48KE 212VE 112VR3500C0.1uFR2 1KR1 1K741L
7、偿偿S四、部分单元电路设计四、部分单元电路设计4.1 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。电路如图 2 所示，这是一种不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合。TV D1V D3V D4V D2偿偿图 2 整流电路4.2 斩波电路电流经过整流电路部分整流成直流，经过降压斩波电路降压，其实则为将固定的直流电通过电力电子开关的作用变为另一固定电压或可调电压的直流电。直流斩波电路分为降压斩波电路、升压斩波电路这两种最基本的电路，本次课程设计在此处采用降压斩波电路。斩波电路工作原理：当 t=0 时，V 导通，E 向负载供电，u=E，i 按指数曲线上升；当 t
8、=t1 时，V 关断，i 经 VD 续流，u 近似为零，i 成指数曲线下降，为使 i 连续且脉动小，通常使 L 值较大。 图 3 中，为在 V 关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管 VD。该电路由整流输出端输入，经过整流后输出给电源充电以及向后续电路供电。VDDRgQ 1Q 2+15V-15VV DRD CL图 3 斩波电路4.3 斩波电路控制电路波电路有三种控制方式：（一）,保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 t，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽式；（二） ，保持开关导通时间 t 不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调频型；（三） ，t 和 T 都可调，使占空比改变，称为混合
9、型。此次选用脉冲调宽式。通过该电路产生方波控制斩波电路中 V 的开断，从而实现控制斩波电路。DDRgQ 1Q 2+15V-15V-+ -+R48KE 2 12VE 1 12VR3 500C 0.1uFR21KR11K741图 4 斩波控制电路4.4 充电电路蓄电池的电流由斩波电路输出，经过滤波电路将电流中的杂波滤除，保证充电的稳定性及电流的高质量。蓄电池在市电正常的情况下也工作，只进行蓄电过程并不放电，此时电路由市电提供电能；当市电出现异常甚至断电时，由蓄电池替其工作，为逆变电路提供电能，以保证负载的正常运行，提高了电路抗干扰的能力。BAT TE RYV DRRCD CL图 5 滤波及蓄电池充
10、电4.5 逆变器及逆变电路逆变有电压型逆变电路和电流型逆变电路。此次课程设计选用电压型单相全桥逆变电路。如图 6，功率晶体管由基极驱动电路提供激励信号，VT1、VT4 和 VT2、VT3 在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。各 IGBT 的栅极信号为 180 度正偏，180 度反偏，并且 VT1 和 VT2 的栅极信号互补，VT3 和 VT4 的栅极信号互补；逆变电路输出电压中除了基波外还含有一定的谐波成分，所以需设置滤波器。直流电流经过逆变电路逆变由输出端输出获得交流电，再经交流滤波电路去除其杂波，经过变压器变压后供给负载。 V T1V T2V T3V T4CT 2L偿偿S图 6
11、逆变电路4.6 逆变器控制电路逆变器控制电路采用芯片 SG3524 控制，SG3524 是电流控制 PWM控制器,所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的.在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化.由于结构上有电压环和电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型控制器.SG3524 采用定频 PWM 电路，DIP-16 型封装，管脚排列如图 7 所示：12345678161514131211109V refV sB偿EB偿CA 偿C
12、A 偿E偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿偿+偿偿偿偿偿偿-RTCT偿图 7 SG3524 管脚排列图SG3524 的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源，它向集成块内部的斜波发生器、PWM 比较器、T 型触发器等。其开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端，与同相端的基准电压进行比较后，产生误差电压 Vr，送至 PWM 比较器的一个输入端，另一个则接锯齿波电压，由此可控制 PWM 比较器输出的脉宽调制信号 Vb。由 11、14 号引脚输出控制 IGBT 栅极，从而控制逆变电路，15 号引脚经开关接 12V 电源形成可控电路。123456789101112131415
13、16SG352420nf2K5K100K15K300100uf2K4.7Kk+12v 20K+图 8 逆变控制电路五、课程设计总结与体会五、课程设计总结与体会电力电子是电气工程及其自动化专业的一门专业课，也是今后从业的主要方向之一，对电力电子了解的多少，熟练与掌握的多少也决定以后我们人生的走向。通过这次课程设计也加深了我对该专业的了解。随着社会的发展，人们对电子的使用与依赖已经普及。电力电子技术是一种应用于电力领域的电子技术，电力电子技术广泛用于电气工程。同时电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程活力的重要源泉。我们此次设计的UPS 在电力电子产品中已占有相当大
14、的份额，不管是家用电气还是一些特殊地点的照明，都离不开 UPS 的身影。两个星期的课程设计，带给我的是巨大的实践财富，与自我思考能力的提升，换之言可抵我半年的书本学习。课程设计之初，看着手里的题目，完全不知道怎么与自己以前所学的知识搭上关系，头脑一片空白。之后翻阅电力电子技术得知 UPS 实则就是不间断电源，我没有盲目的去网上查找该课题的答案，而是决定自己动手解决这个问题，毕竟该课程是我的专业方向，不能自我放弃。翻阅电力电子技术了解有关 UPS 结构框图与简易的 UPS 电路，经过自己在网上查找的复杂的 UPS 电路对比，忽然发现其实 UPS 电路不管难易，均是按我们书本上的结构框图连接起来的
15、，复杂的只是多了旁系之路，多了我们没见过的芯片而已。至此我便决定按照书本上的结构框图自我设计一个小功率不间断电源。提笔边构思边绘制才发现事实与梦想过于遥远，骇然发现一个小小的 UPS 电路就包括了我们电力电子技术中的整流知识、斩波电路、逆变电路；还有电路的滤波知识，模电的桥式电路知识等等。深深的感受到什么叫寸步难行。为此我特意花时间翻阅了相关的知识部分，原来这些被我们遗忘的知识其实都是之前我们的重点知识，现在不得不感慨，这次设计概括的面度是何其广泛。通过对书本知识的了解我开始比较顺畅的绘图了，当我按书本上的知识绘完之后，又意识到错误出来了，往常我们学习时，哪位老师与我们讲解过 IGBT 栅极的
16、控制？哪次考试做题画图我们需要把 IGBT 栅极的连接也绘制出来，想下，我们都成错误的习惯了，自认为栅极在图中就是如此丢那不需管理，这也导致了我这次犯的错。仔细阅读课本，栅极是需要另外的控制电路来控制它的开断，从而控制整个电路的开断。开始与同学商量以及网上电路的借鉴，让我了解了控制电路，也尝试着去绘制。通过此次电力电子技术课程设计，让我更深的了解与掌握了许多的课本以及课本外的知识，也让我更清晰的了解现在该专业社会就业方向，全方面回顾了大学三年的大学知识，意识到了动手的可贵。一味的学习书本知识而不会运用到实际中来，可以很肯定以后站不住脚跟。这次课程设计不仅仅是对我们大三这年电力电子技术的考察，同时也是对我们动手能力、自我思考能力的考察。我觉得结果虽然很重要，但真正最有意义的莫过于对未知的不断探索，对自我的完全肯定与信任。此次课程设计也非
