【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 (2)蓄電池充電電壓必須能夠調(diào)節(jié)。不可控整流電路不能提供蓄電池 通常狀態(tài)下的浮充電壓和過(guò)放電以后的均充電壓(均衡充電電壓)兩種不 同大小的電壓。因此采用可控整流電路比較好。 在可控整流電路中，典型應(yīng)用電路是三相橋式全控整流電路。 整流/充電器主回路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的整流/充電電路采用常見的三相橋式全控整流電路。其電 路的基本原理這里不再詳細(xì)說(shuō)明。原理電路如下，圖中KPl～6為晶閘管。 圖31 三相橋式全控整流電路原理圖 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 整流變壓器的設(shè)計(jì) 由前面所述可知，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)空氣開關(guān)和快速熔斷器后，接在一 星形/三角形接法的變壓器的原邊。此變壓器屬整流變壓器，不同于一般 的電力變壓器。 整流變壓器在設(shè)計(jì)中的作用有三： (1)它可擴(kuò)大整流電路中晶閘管控制角的調(diào)節(jié)范圍，提高調(diào)節(jié)性能。 (2)起隔離作用。它使整流電路與電網(wǎng)電源隔離開來(lái)，使它們之間不 發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網(wǎng)對(duì)整流/充電電路的干擾和影響，同 時(shí)也減少了整流/充電電路對(duì)電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的干擾。 (3)降壓作用。整流變壓器將電網(wǎng)電壓變換成與負(fù)載相匹配的電壓， 這有助于提高晶閘管整流器的性能。一般清況下，整流器的副邊次級(jí)電壓 低于原邊初級(jí)電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。它的接線方式 要與同步變壓器接線相配合，以滿足主回路電路與同步電壓之間的相位關(guān) 系。 整流變壓器在設(shè)計(jì)上不同于一般的電力變壓器： (1)接線方式上有嚴(yán)格要求。初級(jí)和次級(jí)繞組中要有一個(gè)接成三角形， 一般以初級(jí)繞組接成三角形的居多，這樣可避免供電電壓波形的畸變；也 可避免負(fù)載發(fā)生不平衡時(shí)出現(xiàn)中心點(diǎn)浮動(dòng)。在三相四線制接法的輸入中， 整流變壓器只有接成星形/三角形。本設(shè)計(jì)中就屬這種情況。 (2)要求具有較高的絕緣強(qiáng)度。這是因?yàn)榫чl管整流電路發(fā)生過(guò)電壓 的機(jī)會(huì)比較多。 (3)要求適當(dāng)增大變壓器的導(dǎo)線截面積，這是因?yàn)榫чl管整流電路較 易發(fā)生短路而產(chǎn)生過(guò)電流。 基于(2)(3)的原因，使得整流變壓器的體積比同等容量的電力變壓器 體積要大。 13 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 根據(jù)本設(shè)計(jì)中UPS的功率(20KVA) 定功率即30KVA，變比要根據(jù)蓄電池的電壓而定。 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設(shè)計(jì) 在圖31中，PN1兩端的整流輸出為脈動(dòng)的直流電壓，在這種直流 電壓中還含有較多的交流成分，它不利于逆變器的工作和蓄電池的充電， 所以不能直接送往逆變器和為蓄電池充電，必須經(jīng)過(guò)濾波。1. 濾波電抗器L 2. L的作用可歸結(jié)為以下三個(gè)方面(1)平波作用。整流電壓里含有對(duì)逆變器和蓄電池不利的交流成分， 利用電抗器既能儲(chǔ)存能量又能放出能量的特點(diǎn)，在電路中接入電抗器L減 小整流電壓脈動(dòng)程度，起到平波作用。 (2)續(xù)流作用。當(dāng)整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時(shí) 間內(nèi)橋式整流電路中各元件均不導(dǎo)通，此時(shí)整流器輸出電壓為零，輸出電 壓的波形出現(xiàn)了不連續(xù)，輸出電流也就出現(xiàn)了不連續(xù)。這必將影響逆變器 和蓄電池的供電連續(xù)勝。如果接入了電抗器L，在這段時(shí)間內(nèi)電抗器將通 過(guò)續(xù)流二極管所提供的通路，把它儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，供給逆變器和蓄 電池，形成導(dǎo)通回路，保證輸出電流的連續(xù)性。 (3)限制短路電流上升率的作用。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，直流回路中 的電流將猛然增大，危及晶閘管和硅整流元件如整流二極管。利用電抗器 上電流不能突變的特點(diǎn)，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升 率，從而起動(dòng)保護(hù)整流器的作用。 電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容，起平滑濾波作用。 設(shè)計(jì)直流濾波器所用L和C的大小根據(jù)整流/充電器的容量合理計(jì)算， 這里我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)取值。 L考慮電感量大小和電流，選1mH/600A。 C考慮大小和耐壓值，選6800uF/450V兩片。 14 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 主回路電路 綜上所述，本整流/充電器的主回路電路如圖32所示。 在圖32主回路電路中。圖中各元件說(shuō)明如下： 圖32 整流/充電器的主回路電路圖 KK空氣開關(guān)。 ZB整流變壓器，接法為Y/△——11； RD13整流輸入端保護(hù)熔斷器； RD4整流輸出端保護(hù)熔斷器； YR13整流輸入端壓敏電阻保護(hù)； YR4整流輸出端壓敏電阻保護(hù)； S16整流器件：晶閘管SCR； RI6晶閘管阻容吸收電阻； Cl6晶閘管阻容吸收電容； LEM霍爾電流傳感器； L濾波電感； C7, C8兩個(gè)完全相同的濾波電解電容； BI蓄電池組； A直流電流表； V直流電壓表。 在圖32中，整流器件晶閘管SCR的參數(shù)應(yīng)根據(jù)UPS的容量和蓄電池的 端電壓大小來(lái)選取。其阻容吸收電路的電阻和電容可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取。 15 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 整流/充電器控制設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)好整流/充電器的主回路電路后，進(jìn)一步的工作就是設(shè)計(jì)控制電 路。控制電路是整流充電器的核心，因?yàn)闊o(wú)論是整流直流輸出作為逆變器 的輸入的控制，還是給蓄電池充、放電的控制，必須保證控制可靠、穩(wěn)定、 有序。因此對(duì)控制電路的要求如下： (1)晶閘管的觸發(fā)控制電路要輸出與主回路電路相同步的觸發(fā)脈沖； (2)能調(diào)節(jié)整流輸出大小，以滿足對(duì)蓄電池充電的要求； (3)保證整流輸出的穩(wěn)定，以利于逆變器和蓄電池的工作； (4)整流器的起動(dòng)要平穩(wěn)，因而要控制起動(dòng)速度，限制起動(dòng)電流； (5)抑制過(guò)載電流，要有限流保護(hù)和過(guò)、欠壓保護(hù)。 根據(jù)上述要求，并緊密聯(lián)系當(dāng)前國(guó)內(nèi)外保護(hù)、控制領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)， 設(shè)計(jì)了以微機(jī)控制為核心的整流/充電控制系統(tǒng)。 微處理器的選擇 現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最為普遍的是8位單片機(jī)，但是在一些比較復(fù)雜的系 統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機(jī)。在本設(shè)計(jì)中我選用MCS96系列單片 機(jī)，它除了適用于一般的信號(hào)處理系統(tǒng)外，對(duì)于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制 的各類自動(dòng)控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻 調(diào)速系統(tǒng)等以及高級(jí)智能系統(tǒng)如高級(jí)智能儀器、高性能的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 控制器、辦公自動(dòng)化設(shè)備控制器等都有其特有的優(yōu)勢(shì)。它在下列幾個(gè)方面 顯示出其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)： (1)CPU的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器寄存 器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)甚至512字節(jié)的寄存器，消除了一般CPU 結(jié)構(gòu)中的累加器如51系列單片機(jī)等的瓶頸效應(yīng)，大大提高了操作速度和數(shù) 據(jù)吞吐能力。 (2)256或512字節(jié)寄存器中除了前端少量專用寄存器外，其余字節(jié)均 為通用寄存器。這樣多數(shù)量的通用寄存器就有可能為各中斷服務(wù)程序中的 局部變量指定專門的寄存器，免除了指定服務(wù)過(guò)程中保護(hù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)和恢 復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開銷，并大大方便了程序的設(shè)計(jì)。 16 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 (3)指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高?？梢詫?duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn) 行操作；還有符號(hào)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)規(guī)格化(用于浮點(diǎn)運(yùn)算)等指令。另外，三操 作數(shù)指令大大提高了指令效率。 (4)在8OC196KC及其以后的芯片中，增加了一個(gè)外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS, 專門用于處理外設(shè)中斷事務(wù)，它和普通中斷服務(wù)過(guò)程相比，PTS服務(wù)大大 減少了CPU的軟件開銷。 (5)內(nèi)部帶有四路以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，8OC196MC具有多達(dá)13路 A/D，而且KB以后的芯片轉(zhuǎn)換位數(shù)8位和10位可選。A/D轉(zhuǎn)換器集成于芯片 內(nèi)部，大大增強(qiáng)了信號(hào)采樣電路的抗干擾能力，提高了電路的可靠性。 (6)具有高速輸入口HSI和高速輸出口HSO或者比較/捕獲 COMPARE/CAPCOMP，它們對(duì)于處理與時(shí)間有關(guān)的事件以及某些特殊輸出提 供了極大的方便。 當(dāng)然，MCS96 系列單片機(jī)具有一般單片機(jī)所具有的全部外設(shè)裝置： 振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出口、全雙工異步或 同步串行輸入/輸出口、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)、片選輸出等。 由此可看出，MCS96系列16位單片機(jī)具有更豐富的軟、硬件資源，具 有更高的性能，它更適用于一些較復(fù)雜的系統(tǒng)中。 基于以上原因，本課題中整流/充電器的控制電路采用了以80C196KC 單片機(jī)為主控的微機(jī)控制系統(tǒng)。它主要由主控、測(cè)量與采集、脈沖輸出與 同步、信號(hào)輸出以及電源等部分組成。控制電路組成框圖如圖33。 測(cè) 量 給 定 80C196 單片機(jī)主控系統(tǒng) 脈沖輸出 信號(hào)輸出 AC220V 或 DC220V 小型開關(guān)電源模塊 +5V（ VCC） VSS +15V 15V 圖 33 整流/充電器的控制電路組成框圖 17+24V（Vp） GND  ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 整流/充電器的微機(jī)控制系統(tǒng) 在UPS不間斷電源中的整流器，除了供給逆變器直流輸入外，還須完 成對(duì)蓄電池的常規(guī)充電、快速充電、浮充電的功能。因此整流器的輸出是 隨著UPS不間斷電源工作狀態(tài)的變化而變化。下面具體說(shuō)明如何調(diào)節(jié)整流 電路的輸出。 在圖31中，在接上負(fù)載后的整流輸為: Ud==（31）其中，Ud為整流器輸出的直流電源平均值； Ul為整流變壓器初級(jí)線電壓； U2為整流變壓器次級(jí)相電壓； a為晶閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對(duì)應(yīng)于觸發(fā)脈沖出現(xiàn) 的時(shí)刻距自然換相點(diǎn)的電角度，又稱為延遲角。 從公式31可看出，調(diào)節(jié)晶閘管的控制角即可調(diào)節(jié)整流輸出。 整流器提供給逆變器的直流輸入必須是穩(wěn)定的，這樣才能有利于逆變 器的正常工作，為此在設(shè)計(jì)中引入了電壓負(fù)反饋并采用了PID控制算法。 即通過(guò)電壓傳感器對(duì)整流輸出電壓進(jìn)行取樣，與期望值進(jìn)行比較，根據(jù)差 值進(jìn)行PID控制，從而實(shí)現(xiàn)整流輸出的穩(wěn)定。 基于80C196單片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，整流/充電器主控電路以80C196 芯片為核心，只擴(kuò)展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373， 復(fù)位電路、參考電壓電路及振蕩電路。 程序存貯器的片選信號(hào)直接取自80C196的地址線AD15，地址范圍 為:2000H3FFFH。 復(fù)位電路見圖34。工作原理是:復(fù)位電路接收到硬件或軟件復(fù)位信息 (上電復(fù)位、監(jiān)視定時(shí)器溢出、執(zhí)行復(fù)位指RST)后，都會(huì)使單片機(jī)RESET 引腳的電位變低。圖34所示的復(fù)位電路具有上電復(fù)位功能。上電時(shí)通過(guò)R. C通路向電容C充電使單片機(jī)RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復(fù)位電 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復(fù)位。 圖中的二極管D為復(fù)位電容C在掉電的情況下提供了一條迅速放電的 通路，這樣可保證芯片的反復(fù)上電的情況下可靠地復(fù)位。 圖34 80C196單片機(jī)復(fù)位電路 參考電壓電路是為采樣A/D轉(zhuǎn)換電路提供參考基準(zhǔn)電壓。通過(guò)電阻降 壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得。，它是一種新型帶隙基 準(zhǔn)電壓源，具有溫度系數(shù)小、動(dòng)態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用 電路見圖35。其中振蕩電路晶振頻率采用8MHZ,振蕩電容選33pF。 圖35 參考電壓電路 如圖31中，為了保證整流橋在合閘上電后共陰極組和共陽(yáng)極組各有 一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通 的一對(duì)晶閘管同時(shí)施加觸發(fā)脈沖。為此可有兩種觸發(fā)方式：寬脈沖觸發(fā)方式和雙窄脈沖觸發(fā)方式。寬脈沖觸發(fā)是指使每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度 (一般取 )；雙窄脈沖觸發(fā)是指在觸發(fā)某一號(hào)晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效替代大于的寬脈19 ******畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 沖。雙窄脈沖觸發(fā)方式中，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔 ，這種觸發(fā)方式雖然比較復(fù)雜，但它可減少觸發(fā)電路的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心體積。寬脈沖觸發(fā)方式中雖然脈 沖次數(shù)減少一半，但是為了不讓脈沖變壓器飽和，其鐵心體積必然做得大 些，繞組匝數(shù)多些，因而漏感增大，導(dǎo)致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組 可改變這個(gè)情況，但又使裝置復(fù)雜化。因此，在本整流器觸發(fā)控制設(shè)計(jì)中， 采用了雙窄脈沖強(qiáng)觸發(fā)方式。脈沖來(lái)自單片機(jī)8OC196的高速輸出口 (通過(guò)編程產(chǎn)生六路觸發(fā)脈沖波)。 80C196單片機(jī)的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供了極大 的方便。HSO應(yīng)用于按程序設(shè)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件，要求CPU的開銷極 少，因此速度塊。 利用HSO可產(chǎn)生寬度和周期符合晶閘管觸發(fā)要求的脈沖。方法即是通。利用80C196單片機(jī)的 產(chǎn)生六路晶閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的規(guī)律，在一周 期內(nèi)編程產(chǎn)生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖，再經(jīng)功率放大電路、隔 離電路以及脈沖變壓器得到符合晶閘管觸發(fā)要求的觸發(fā)脈沖。 晶閘管觸發(fā)脈沖必須是具有一定寬度、幅值和陡沿的脈沖信號(hào)。一般 來(lái)說(shuō)，觸發(fā)脈沖寬度為400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶閘管觸 發(fā)電流一般為mA級(jí)，而單片機(jī)輸出口驅(qū)動(dòng)電流只有幾百uA，因此必須進(jìn)行 功率放大，本設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的MC1413芯片。經(jīng)驅(qū)動(dòng)后的驅(qū)動(dòng)電 流可達(dá)幾百mA。 采用光電隔離是避免單片機(jī)弱電工作電路不受主回路強(qiáng)電電路的干 擾。采用脈沖變壓器是基于匹配晶閘管門極觸發(fā)電壓的考慮。脈沖輸出電 路如圖36所