【文章內(nèi)容簡介】 警告及保護(hù)電路，還有功率因數(shù)校正電路。在線式 UPS 的輸出波形通常為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。9整流濾波電路逆變器輸出變壓器及濾波器靜態(tài)開關(guān)充電電路蓄電池組控制檢測(cè)顯示告警及保護(hù)電路U P S 輸出市電輸入圖 21 在線式 UPS 原理框圖控制，監(jiān)測(cè)，顯示，警告及保護(hù)電路提供逆變，充電，靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換所需的控制信號(hào)，并顯示各自工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過壓，過流，短路，過熱時(shí)，及時(shí)警告，同時(shí)提供相應(yīng)的保護(hù)。由于市電可能發(fā)生電壓波動(dòng)、斷電等故障，需要市電輸入檢測(cè)電路對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行分析，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到市電異常時(shí)，單片機(jī)控制切換電路進(jìn)行切換，使電路與市電斷開連接，同時(shí)接通蓄電池，讓蓄電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電，從而保證負(fù)載不斷電。逆變電路前通過過壓檢測(cè)電路與單片機(jī)相連，當(dāng)產(chǎn)生過壓現(xiàn)象時(shí)，單片機(jī)控制繼電器電路使大電阻并入電路，消除過電壓，保證逆變器的正常工作；負(fù)載電路前通過過流檢測(cè)電路與單片機(jī)相連，當(dāng)產(chǎn)生過流現(xiàn)象時(shí)，單片機(jī)給 PWM 產(chǎn)生電路送復(fù)位信號(hào)，使逆變電路停止工作，同時(shí)到單片機(jī)控制報(bào)警電路產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。由此可見，對(duì)于在線式 UPS，無論市電是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在市電故障的瞬間，UPS 的輸出不會(huì)有任何間斷。另外，由于在線式 UPS 有輸入濾波器和輸出濾波器，再加上市電的交流輸入經(jīng)整流濾波器變?yōu)橹绷?，再由逆變器逆變?yōu)榻涣鳎詭缀跛衼碜噪娋W(wǎng)的干擾經(jīng)過 UPS 以后都能得到很大程度的衰減；同時(shí)逆變器的穩(wěn)壓功能很強(qiáng)，所以在線式 UPS 能給負(fù)載提供干擾小，穩(wěn)壓精度高的電源。10 系統(tǒng)整體方案 逆變器負(fù)載市電輸入檢測(cè)蓄電池充電電路蓄電池檢測(cè)電路蓄電池輔助電源P W M 波產(chǎn)生電路過流檢測(cè)單片機(jī)報(bào)警電路過壓檢測(cè)切換開關(guān)整流器市電圖 22 在線式 UPS 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖UPS不間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)有兩個(gè)：一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定(在一定的額定精度內(nèi))；二是UPS輸出的不間斷性，即要能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。整個(gè)設(shè)計(jì)緊緊圍繞這兩個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行的：(1)蓄電池(包括充電器)是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時(shí)為負(fù)載供電的能量來源；(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個(gè)UPS核心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷； 整流電路 整流電路和逆變電路想對(duì)應(yīng)，簡單的說是將（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC ）的裝置。它有倆個(gè)主要功能：第一，將交流電（AC）變成直流電 (DC)，經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變；第二，給蓄電池提供充電電壓。為了抑制高次諧波，改善輸入的功率因數(shù)，整流部分常設(shè)有功率因數(shù)校正電路。11T 1V D 1V D 2V D 6V D 5V D 3V D 4abcidiciRdU+圖 23 電容濾波的三相橋式不可控整流電路由于本設(shè)計(jì)中的蓄電池電壓已經(jīng)確定，而且需要進(jìn)行濾波，并且不可控整流比可控整流電路功率因數(shù)要高，本次設(shè)計(jì)中采用了電容濾波的三相橋式不可控整流電路。如圖 23 所示，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電， 按指數(shù)規(guī)律下降。dU 逆變電路 逆變電路是 UPS 的核心部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率非常穩(wěn)定的工頻交流電供負(fù)載使用的電路。通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來達(dá)到這一目的。如圖 26 所示為三相電壓橋式逆變電路原理圖，從電路結(jié)構(gòu)上看，如果把三相負(fù)載看成三相整流變壓器的三個(gè)繞組，那么三相橋式逆變器電路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯(lián)，其中可控電路用來實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，不可控電路為感性負(fù)載電流提供續(xù)流回路，完成無功能量的續(xù)流和反饋因此 VD1VD6 稱為續(xù)流二極管或者反饋二極管。若以圖 26 所示的逆變器直流電壓中心點(diǎn) N 為電位參考點(diǎn)，控制相應(yīng)的功率管使逆變器各相輸出相位為 120176。的交流方波電壓，即可實(shí)現(xiàn)電壓 DCAC 的變換。V 3V 5V 4V 6V 2V 1V D 1 V D 3 V D 5V D 2V D 6V D 4U d / 2U d / 2N ’N+_UVW12圖 24 三相電壓型橋式逆變電路 逆變器每相的方波變換可采用 導(dǎo)電方式和 導(dǎo)電方式。180?120?導(dǎo)電方式有以下特征：180?（1）每相的上下橋臂均采用 互補(bǔ)控制模式。 ?（2）相鄰相的橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位互差 。?（3）任何時(shí)刻有且只有三個(gè)橋臂導(dǎo)電，或兩個(gè)上橋臂一個(gè)下橋臂導(dǎo)電，或一個(gè)上橋臂兩個(gè)下橋臂導(dǎo)電。在 導(dǎo)通型的三相逆變器中，根據(jù)每隔 的各階段其等效電路以及相應(yīng)180? 60?相電壓、線電壓數(shù)值可以得出任何一相的相電壓波形為六個(gè)階梯波，各相相互差 ，線電壓為脈寬為 的矩形波。2? 120?考慮 導(dǎo)電方式的電壓型三相橋式逆變器的相電壓波形，該波形為交流?六階梯波波形。如果取時(shí)間坐標(biāo)為相電壓階梯波的起點(diǎn)，并利用傅立葉分析，則不難求得逆變器輸出 A 相電壓的瞬時(shí)值 uan 為： （2and21=sit+in5tsi7t+U???? ??? ?? ?5）從式（25 ）分析可知， 導(dǎo)電方式的電壓型三相橋式逆變器的輸出相電80?壓波形中不含偶次和 3 次諧波，而只含有 5 次及 5 次以上的奇次諧波，且諧波幅值與諧波次數(shù)成反比，對(duì)于基波無初相角的矩形波線電壓，其一般表達(dá)式為： （26abd211=sinti5tsin7t+sitU???? ??? ?? ?） 當(dāng)三相逆變器按 導(dǎo)電方式工作時(shí)，這種調(diào)制方式要求逆變器中功率管0?的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 方波，其有以下特征：12?（1）每相的上下橋臂均采用 控制且有 導(dǎo)通間隙。12?60?（2）相鄰相的橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位互差 120176。（3）任何時(shí)刻有且只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)電，即一個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂導(dǎo)電相鄰序號(hào)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位互差 60176。導(dǎo)電方式由于每相的上下橋臂均采用 控制且有 導(dǎo)通間隙，因而10? 120?60?避免了換流時(shí)上下橋臂的直通。由于任何時(shí)刻只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)電，從而導(dǎo)致功率器件的利用率較低，因此電壓型三相橋式逆變器一般不采用 導(dǎo)電方式，12?而采用 導(dǎo)電方式。 導(dǎo)電方式主要運(yùn)用于電流型三相橋式逆變器的控制8?120?中13對(duì) 導(dǎo)通方式和 導(dǎo)電方式進(jìn)行比較可知：在 導(dǎo)電方式中，上下180?120? 120?兩管之間有 間隙，對(duì)換流的安全有利，但是管子的利用率低，而 導(dǎo)通方6 180?式無論電動(dòng)機(jī)三角形還是星形接法時(shí)，正常工作都不會(huì)產(chǎn)生過電壓，因此對(duì)于電壓型逆變器， 導(dǎo)通方式較為普遍。? 蓄電池和充電電路 在 UPS 電源中，通常都使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置，它由若干個(gè)電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電即供電的時(shí)間。其主要功能是：1 當(dāng)市電正常時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部。2 當(dāng)市電故障時(shí)，通過逆變器將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能提供給負(fù)載使用。 蓄電池特性：儲(chǔ)能裝置蓄電池是 UPS 電源系統(tǒng)的重要組成部分。在正常情況下，直接由市電供給負(fù)載；而當(dāng)市電斷電或出現(xiàn)異常情況時(shí)，就要由蓄電池來向負(fù)載供電。這樣才能達(dá)到不間斷的可靠性供電。蓄電池屬于電化學(xué)電池，它把化學(xué)中的氧化還原所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔堋Ｐ铍姵氐男阅苤笜?biāo)有：（1）容量 表示蓄電池在充滿電的情況下的儲(chǔ)能多少，用放電電流與放電時(shí)間的乘積來表示，單位為（ ） 。hA?（2）放電率 表示放電至中止的電流大小或者時(shí)間快慢?？梢杂梅烹婋娏鱽肀硎荆部梢杂梅烹姇r(shí)間來表示。例如一個(gè) 的蓄電池，充滿以后以hA?325mA 恒流放電，經(jīng)過 20h 后達(dá)到放電中止電壓，放電率若以電流來表示為 率，若以放電時(shí)間來表示則為 20h 放電率。（3）功率與比功率 蓄電池的功率指蓄電池在一定的放電制度下，單位時(shí)間所能給出能量的大小，單位為 W 或者 kW。單位質(zhì)量蓄電池所能給出的功率稱為比功率，單位為 W/kg 或者 kW/kg，比功率也是蓄電池重要的性能指標(biāo)之一。（4）放電電流 就是蓄電池的輸出電流，它除了用安培來表示外，通常也用蓄電池的容量乘以某一個(gè)系數(shù)來表示。例如對(duì) 的蓄電池， 的放電電hA?流的實(shí)際值為 =。（5）放電中止電壓 表示蓄電池不允許再放出電能時(shí)的電壓，通常為 格。（6）自放電率 蓄電池在不同時(shí)期內(nèi)部也會(huì)消耗能量，一般以 C/天來表示。UPS 大多使用常規(guī)的鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池有造價(jià)低廉、使用簡單、維修方便、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)。下面以鉛酸蓄電池為例分析其充電特性，它在充電過程中表現(xiàn)出非常復(fù)雜的輸入特性，以一定的電流充電時(shí)，其端電壓表示如式 2914所示： (29) UEIR?????:式中，U 為充電時(shí)蓄電池的端電壓(V)， 為正極板過電位(V), 為負(fù)極板??????過電壓(V)， I 為充電電流 (A)，R 為蓄電池內(nèi)阻（ ） 。?一般蓄電池的過電壓和內(nèi)阻很小，蓄電池的容量和壽命是蓄電池的主要參數(shù)，它們受充電方法的影響很大。鉛酸蓄電池的充電電流與端電壓是隨充電時(shí)間變化的，在充電開始時(shí)，電池電壓逐步上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定的恒定值時(shí)，充點(diǎn)電流逐漸減少而電壓值保持不變。充電策略對(duì)于蓄電池非常重要，一個(gè)優(yōu)化的充電策略可以提高蓄電池的性能和壽命；反之，一個(gè)不合理的充電策略會(huì)非常顯著的降低蓄電池可用容量和使用壽命。蓄電池充電電路：4 8 V 蓄電池124876535 5 5 DT 32 2 0 V / 6 0 VR 4 0R 4 1R 4 2R 4 3R 4 4R 4 5R 4 6C 3 6C 3 7C 3 8V W圖 25 蓄電池充電電路（1）555 定時(shí)器蓄電池充電電路的核心是 555 定時(shí)器，集成定時(shí)器 555 是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在一起的的中規(guī)模集成電路。它的電路結(jié)構(gòu)將模擬功能和邏輯功能兼容為一體，能夠產(chǎn)生精確地時(shí)間延遲和振蕩，在控制、定時(shí)、檢測(cè)、仿聲、報(bào)警等方面有著廣泛應(yīng)用，是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路。只要在外部配上適當(dāng)?shù)淖枞菰涂梢苑奖愕貥?gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。因集成內(nèi)部含有三個(gè) 5 千歐姆電阻而得名555 定時(shí)器。常用的定時(shí)器有 5G555（TTL 電路）和 CC7555（CMOS 電路）等。15集成定時(shí)器 5G555 由電阻分壓器、電壓比較器、基本 RS 觸發(fā)器、放電三極管和輸出緩沖器五部分組成。定時(shí)器的功能主要取決于比較器 C1 和 C2，由它們的輸出直接控制基本 RS 觸發(fā)器、放電三極管的狀態(tài)，從而決定整個(gè)電路的輸出狀態(tài)。+C 1amp。amp。amp。+C 2112345678G 1G 2G 3G 4V R 1V R 25 K5 K5 KT DV c cR DV c oV I 1V C 2V O ’( D I S C )V OV C 1V C 2圖 26 555 定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 26 所示，555 定時(shí)器由 3 個(gè) 5 的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器k?C1 和 C基本 RS 觸發(fā)器、放電三極管 TD 和緩沖反相器 G4 組成。虛線邊沿上的數(shù)字為管腳號(hào)。其中 1 腳為接地端，4 腳為復(fù)位輸入端（ RD ） ，當(dāng) RD 為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出 vo 為低電平。正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。5 腳為電壓控制端，當(dāng)其懸空時(shí)，比較器 C1 和 C2 的比較電壓分別為 2/3VCC 和 1/3VCC， 不用時(shí)，經(jīng) 的電容接地，以防止引入干擾； 2 腳為觸發(fā)輸入端，6 腳為閾值輸入端，兩端的電位高低控制比較器 C1 和 C2 的輸出，從而控制 RS 觸發(fā)器，決定輸出狀態(tài)。 7 腳為放電端， 555 定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管 TD 導(dǎo)通，外接電容元件通過 TD 放電；3 腳為輸出端，輸出高電壓約低于 13V，輸出電流可達(dá)到 200mA，因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈；8 腳為電源端，可在 5V18V 范圍內(nèi)使用。555 定時(shí)器工作時(shí)過程分析如下：5 腳經(jīng) 電容接地，比較器 C1 和 C2 的比較電壓為： 、123RCUV?。 213RCUV?當(dāng) ， 時(shí)，比較器 C1 輸出低電平，比較器 C2 輸出高電?c2?13CV平，基本 RS 觸發(fā)器置 0， G3 輸出高電平，放電三極管 TD 導(dǎo)通，定時(shí)器輸出低電平。16當(dāng) ， 時(shí)，比較器 C1 輸出高電平，比較器 C2 輸出高電1V23Cc2?13CV平，基本 RS 觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變， G3 輸出高電平，定時(shí)器輸出狀態(tài)不變。當(dāng) ， 時(shí)，比較器 C1 輸出低電平，比較器 C2 輸出高電1?Cc2C平，基本 RS 觸發(fā)器兩端都被置 1，G3