【文章內容簡介】 。 (2)蓄電池充電電壓必須能夠調節(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，典型應用電路是三相橋式全控整流電路。 整流/充電器主回路設計 本設計中的整流/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說明。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)設計（論文）說明書 整流變壓器的設計 由前面所述可知，三相電網電壓經空氣開關和快速熔斷器后，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。 整流變壓器在設計中的作用有三： (1)它可擴大整流電路中晶閘管控制角的調節(jié)范圍，提高調節(jié)性能。 (2)起隔離作用。它使整流電路與電網電源隔離開來，使它們之間不 發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網對整流/充電電路的干擾和影響，同 時也減少了整流/充電電路對電網上其他用電設備的干擾。 (3)降壓作用。整流變壓器將電網電壓變換成與負載相匹配的電壓， 這有助于提高晶閘管整流器的性能。一般清況下，整流器的副邊次級電壓 低于原邊初級電壓，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 系。 整流變壓器在設計上不同于一般的電力變壓器： (1)接線方式上有嚴格要求。初級和次級繞組中要有一個接成三角形， 一般以初級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 可避免負載發(fā)生不平衡時出現中心點浮動。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。本設計中就屬這種情況。 (2)要求具有較高的絕緣強度。這是因為晶閘管整流電路發(fā)生過電壓 的機會比較多。 (3)要求適當增大變壓器的導線截面積，這是因為晶閘管整流電路較 易發(fā)生短路而產生過電流。 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)設計（論文）說明書 根據本設計中UPS的功率(20KVA) 定功率即30KVA，變比要根據蓄電池的電壓而定。 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設計 在圖31中，PN1兩端的整流輸出為脈動的直流電壓，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，必須經過濾波。1. 濾波電抗器L 2. L的作用可歸結為以下三個方面(1)平波作用。整流電壓里含有對逆變器和蓄電池不利的交流成分， 利用電抗器既能儲存能量又能放出能量的特點，在電路中接入電抗器L減 小整流電壓脈動程度，起到平波作用。 (2)續(xù)流作用。當整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時 間內橋式整流電路中各元件均不導通，此時整流器輸出電壓為零，輸出電 壓的波形出現了不連續(xù)，輸出電流也就出現了不連續(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，在這段時間內電抗器將通 過續(xù)流二極管所提供的通路，把它儲存的能量釋放出來，供給逆變器和蓄 電池，形成導通回路，保證輸出電流的連續(xù)性。 (3)限制短路電流上升率的作用。當直流側發(fā)生短路時，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，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升 率，從而起動保護整流器的作用。 電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容，起平滑濾波作用。 設計直流濾波器所用L和C的大小根據整流/充電器的容量合理計算， 這里我們根據經驗來取值。 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)設計（論文）說明書 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。圖中各元件說明如下： 圖32 整流/充電器的主回路電路圖 KK空氣開關。 ZB整流變壓器，接法為Y/△——11； RD13整流輸入端保護熔斷器； RD4整流輸出端保護熔斷器； YR13整流輸入端壓敏電阻保護； YR4整流輸出端壓敏電阻保護； 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的參數應根據UPS的容量和蓄電池的 端電壓大小來選取。其阻容吸收電路的電阻和電容可根據經驗公式選取。 15 ******畢業(yè)設計（論文）說明書 整流/充電器控制設計 設計好整流/充電器的主回路電路后，進一步的工作就是設計控制電 路。控制電路是整流充電器的核心，因為無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)能調節(jié)整流輸出大小，以滿足對蓄電池充電的要求； (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)整流器的起動要平穩(wěn)，因而要控制起動速度，限制起動電流； (5)抑制過載電流，要有限流保護和過、欠壓保護。 根據上述要求，并緊密聯(lián)系當前國內外保護、控制領域的發(fā)展形勢， 設計了以微機控制為核心的整流/充電控制系統(tǒng)。 微處理器的選擇 現在市場上應用最為普遍的是8位單片機，但是在一些比較復雜的系 統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機。在本設計中我選用MCS96系列單片 機，它除了適用于一般的信號處理系統(tǒng)外，對于要求實時處理、實時控制 的各類自動控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻 調速系統(tǒng)等以及高級智能系統(tǒng)如高級智能儀器、高性能的計算機外部設備 控制器、辦公自動化設備控制器等都有其特有的優(yōu)勢。它在下列幾個方面 顯示出其優(yōu)越的性能和特點： (1)CPU的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器寄存 器結構，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 結構中的累加器如51系列單片機等的瓶頸效應，大大提高了操作速度和數 據吞吐能力。 (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。這樣多數量的通用寄存器就有可能為各中斷服務程序中的 局部變量指定專門的寄存器，免除了指定服務過程中保護寄存器現場和恢 復寄存器現場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序的設計。 16 ******畢業(yè)設計（論文）說明書 (3)指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高?？梢詫Х枖岛筒粠Х枖颠M 行操作；還有符號擴展、數據規(guī)格化(用于浮點運算)等指令。另外，三操 作數指令大大提高了指令效率。 (4)在8OC196KC及其以后的芯片中，增加了一個外設事務服務器PTS, 專門用于處理外設中斷事務，它和普通中斷服務過程相比，PTS服務大大 減少了CPU的軟件開銷。 (5)內部帶有四路以上的模/數轉換器(A/D)，8OC196MC具有多達13路 A/D，而且KB以后的芯片轉換位數8位和10位可選。A/D轉換器集成于芯片 內部，大大增強了信號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，它們對于處理與時間有關的事件以及某些特殊輸出提 供了極大的方便。 當然，MCS96 系列單片機具有一般單片機所具有的全部外設裝置： 振蕩器和時鐘發(fā)生器、定時器計數器、標準輸入/輸出口、全雙工異步或 同步串行輸入/輸出口、監(jiān)視定時器(Watchdog)、片選輸出等。 由此可看出，MCS96系列16位單片機具有更豐富的軟、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 單片機為主控的微機控制系統(tǒng)。它主要由主控、測量與采集、脈沖輸出與 同步、信號輸出以及電源等部分組成。控制電路組成框圖如圖33。 測 量 給 定 80C196 單片機主控系統(tǒng) 脈沖輸出 信號輸出 AC220V 或 DC220V 小型開關電源模塊 +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)設計（論文）說明書 整流/充電器的微機控制系統(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。下面具體說明如何調節(jié)整流 電路的輸出。 在圖31中，在接上負載后的整流輸為: Ud==（31）其中，Ud為整流器輸出的直流電源平均值； Ul為整流變壓器初級線電壓； U2為整流變壓器次級相電壓； a為晶閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對應于觸發(fā)脈沖出現 的時刻距自然換相點的電角度，又稱為延遲角。 從公式31可看出，調節(jié)晶閘管的控制角即可調節(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，為此在設計中引入了電壓負反饋并采用了PID控制算法。 即通過電壓傳感器對整流輸出電壓進行取樣，與期望值進行比較，根據差 值進行PID控制，從而實現整流輸出的穩(wěn)定。 基于80C196單片機豐富的內部資源，整流/充電器主控電路以80C196 芯片為核心，只擴展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373， 復位電路、參考電壓電路及振蕩電路。 程序存貯器的片選信號直接取自80C196的地址線AD15，地址范圍 為:2000H3FFFH。 復位電路見圖34。工作原理是:復位電路接收到硬件或軟件復位信息 (上電復位、監(jiān)視定時器溢出、執(zhí)行復位指RST)后，都會使單片機RESET 引腳的電位變低。圖34所示的復位電路具有上電復位功能。上電時通過R. C通路向電容C充電使單片機RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復位電 ******畢業(yè)設計（論文）說明書 容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復位。 圖中的二極管D為復位電容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上電的情況下可靠地復位。 圖34 80C196單片機復位電路 參考電壓電路是為采樣A/D轉換電路提供參考基準電壓。通過電阻降 壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得。，它是一種新型帶隙基 準電壓源，具有溫度系數小、動態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點。應用 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極組各有 一個晶閘管導通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩組中應導通 的一對晶閘管同時施加觸發(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)某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用兩個窄脈沖等效替代大于的寬脈19 ******畢業(yè)設計（論文）說明書 沖。雙窄脈沖觸發(fā)方式中，在一個周期內對每個晶閘管需要連續(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，繞組匝數多些，因而漏感增大，導致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組 可改變這個情況，但又使裝置復雜化。因此，在本整流器觸發(fā)控制設計中， 采用了雙窄脈沖強觸發(fā)方式。脈沖來自單片機8OC196的高速輸出口 (通過編程產生六路觸發(fā)脈沖波)。 80C196單片機的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產生提供了極大 的方便。HSO應用于按程序設定的時間去觸發(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單片機的 產生六路晶閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電路中晶閘管觸發(fā)導通的規(guī)律，在一周 期內編程產生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖，再經功率放大電路、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。一般 來說，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，而單片機輸出口驅動電流只有幾百uA，因此必須進行 功率放大，本設計中采用驅動能力較強的MC1413芯片。經驅動后的驅動電 流可達幾百mA。 采用光電隔離是避免單片機弱電工作電路不受主回路強電電路的干 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