【正文】 本文采用的是電流互感器的方法來測(cè)量電流的，采用電流互感器測(cè)量電流。自舉電容電壓達(dá)到 以上，才能夠正常工作，一般來說， SPWM 的開關(guān)頻率較高，應(yīng)采用小容量電容，以提高充電電壓，否則在有限的時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓，實(shí)驗(yàn)表明采用 33μ F 的自舉電容時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)良好。 H0 和 L0 是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)同一橋臂的 MOSFET， IR2110 的自舉電容選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。 IR2110 的輸入端為滯環(huán)施密特出發(fā)電路，以提高抗干擾能力和接受上升沿環(huán)慢的輸入邏輯信號(hào)， Vdd/Vcc 電平轉(zhuǎn)換電路把輸入邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平，其兩路輸出均采用圖騰柱輸出，輸出級(jí)由兩只峰值電流為 2A 以上，內(nèi)阻為 3 歐姆以下的 N 溝道 FET 組成，輸出級(jí)可提供的驅(qū)動(dòng)電壓為 15V— 20V。圖中 HIN 和 LIN 為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率 MOS 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。所以選用此方案。本文驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用的是驅(qū)動(dòng)芯片。 SPWM 信號(hào)產(chǎn)生電路如圖 35。 CD4538 由兩個(gè)高精度可重觸發(fā)地單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成， Q 和 Q 非輸出有緩沖，輸出特性對(duì)稱。 圖 34 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CD3538 管腳屬性及其功能表 產(chǎn)生 SPWM 電路可以有 如下幾種方法，本文選用的是用自然采樣法去獲得SPWM 的。如下圖 32,圖 33 圖 32 逆變主電路 27 圖 33 PCB布線圖 PWM 脈寬調(diào)制 在設(shè)計(jì) SPWM 時(shí)要考慮死區(qū)的影響，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)間重點(diǎn)放在死區(qū)延時(shí)上。 逆變電路結(jié)構(gòu) 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。 26 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框圖 圖 31系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定輸入，直流穩(wěn)壓電源向逆變電路和 SPWM 信號(hào)產(chǎn)生電路提供穩(wěn)壓電流，電流通過逆變主電路，將輸入的直流逆變?yōu)榻涣?，并通過濾波電路得到預(yù)期正弦交流輸出，同時(shí)過流保護(hù)電路對(duì)整體電路提供保護(hù)，從而保障系統(tǒng)運(yùn)行。檢波電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓。 過流保護(hù)電路：過流保護(hù)電流由取樣電阻、三極管放大電路、檢波電路、電壓比較電路和鎖存電路組成。 失壓報(bào)警電路：失壓報(bào)警電路由 2 個(gè)多諧振蕩電路組成，音頻振蕩電路，振蕩頻率約為 2kHz。 輸出切換電路：有雙刀雙擲的繼電器，線圈工作電壓為 DC220V，當(dāng)輸入的AC220V 電壓存在時(shí)，雙刀雙擲的繼電器吸合輸出自動(dòng)切換到常用電源，不存在時(shí)，輸出切換到由升壓電路提供的電源。 功率放大電路采用簡(jiǎn)單的 OCL 功放電路。 功率放大電路： 功率放大電路 是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)，用電感器與負(fù)載串聯(lián)） 開關(guān)機(jī)控制：開關(guān)機(jī)控制電路由繼電器作為執(zhí)行部件，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，限幅放大器輸出的信號(hào)對(duì)地短路，后級(jí)電路停止工作達(dá)到關(guān)機(jī)目的。 其余電路 濾波電路 ：濾波的方法一般采用無源元件電容或電感 ,利用其對(duì)電壓 ,電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的 . 由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C 在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容 C 具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感 L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來， 而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感 L 也有平波作用。一般情況下，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。 (3)降壓作用。 (2)起隔離作用。通過二極管的單相導(dǎo)通的特性，使輸出曲線全在正半軸，輸出脈動(dòng)直流電流。 。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。它在電路中用文字符號(hào)“ RV”或“ R”表示，圖 29 是外形 圖，圖 210 為電路圖形符號(hào)。 圖 27 運(yùn)算放大器 變壓器 變壓器采用普通工頻變壓器，初級(jí)為 12V,次級(jí)為 220V,外形見圖 28。在 UPS 中，普遍用于逆變器和斬波器，也有的用于整流器。其開關(guān)速度顯然較功率 MOSFET 低，但遠(yuǎn)高于 BJT，又因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，故控制電路?jiǎn)單、穩(wěn)定性好。由于器件受功率的限制，因此只應(yīng)用與小型 UPS 的斬波器或逆變器中。 MOSFET 的缺陷是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力低，承載能力和工作電壓低。其開關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強(qiáng)，采用電壓控制，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，因此常常作為開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)能量變換。目前 UPS 中，主要把 SCR 器件用作整流器和靜態(tài)開關(guān)。普通型 SCR 電壓高達(dá) 6000V，電流達(dá)數(shù)千安培，自身電壓降 ，開通僅需要在控制級(jí)上加一個(gè)小觸發(fā)脈沖，然后想要關(guān)斷這種器件必須用電感、電容和輔助開關(guān)器件組成強(qiáng)迫環(huán)流電路。 主要器件介紹 晶閘管 SCR 晶閘管是最早出現(xiàn)得可控器件。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，成為 SPWM 波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，此 PWM 波形和正弦半波是等效的。這就是 PWM 波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n/N，但幅值不等，脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按 正弦規(guī)律變化。下面以正弦脈寬調(diào)制 SPWM 為例說明 PWM 控制的基本原理。 在采 樣控制理論中，有一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM 型三相橋式逆變電路 正因?yàn)?PWM 控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逆變電路越來越多地采用 PWM控制方式。 隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)并成熟后， PWM 控制技術(shù)得到了很快的發(fā)展， PWM 型 20 逆變電路獲得了廣泛的應(yīng)用。理論和實(shí)踐證明 PWM 逆變電路具有很強(qiáng)的諧波抑制能力。 PWM 即脈沖寬度調(diào)制控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使之輸出一系列幅值相等、寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。這種控制方式輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載有不利的影響；且功率因數(shù)不高，調(diào)節(jié)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。 電壓型逆變電路的典型控制方式有相控和 PWM 控制兩種。 在本 UPS 不間斷電源設(shè)計(jì)中，逆變器的直流輸入側(cè)來自整流器的整流輸出或者蓄電池的直流輸出，屬于電壓源，因此本設(shè)計(jì)中的逆變電路屬于電壓型逆變電路。無論是全控型還是半控型電力電子器件 ,只要給控制極適當(dāng)?shù)男盘?hào)，就可以使其導(dǎo)通；但是關(guān)斷時(shí)的情況就不同 ,全控型器件可以用控制極信號(hào)使其關(guān)斷，而半控 型的器件，必須采用一定的外部條件或措施才能使其關(guān)斷。 圖 23三相橋式逆變電路原理圖 在實(shí)際電路中，開關(guān)的切換 (換相 )通過換相電路或控制脈沖來實(shí)現(xiàn)。 圖中的開關(guān) S16 代表實(shí)際電路中的電力電子功率開關(guān)器件。 三相橋式逆變電路及其控制方式 電路原理： 逆變最基本的電路就是橋式電路。 （ 16）顯示 逆變器應(yīng)設(shè)有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數(shù)的數(shù)據(jù)顯示，并有輸入帶電、通電和故障狀態(tài)的信 號(hào)顯示。逆變器的抗干擾性能和電磁兼容性應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 （ 13）保護(hù)功能 逆變器應(yīng)設(shè)置：短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)及缺相保護(hù)。 （ 11）輸出電壓的不對(duì)稱度 在正常工作條件下，各相負(fù)載對(duì)稱，輸出電壓的不對(duì)稱度應(yīng)≤ 5%。 （ 9）負(fù)載功率因數(shù) 逆變器負(fù)載功率因數(shù)的允許變化范圍，推薦值 ― 。逆變 18 器 的過載能力應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。 （ 6）最大諧波含量 正弦波逆變器，在阻性負(fù)載下，輸出電壓的最大諧波含量應(yīng)≤ 10%。 （ 5）額定輸出頻率 在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為 50Hz： 頻率波動(dòng)范圍：50Hz177。 5%。電壓波動(dòng)范圍：?jiǎn)蜗?220V177。 15%。 （ 1）使用環(huán)境條件 逆變器正常使用條件：海拔高度不超過 1000m，空氣溫度 0～ +40℃。逆變器的主要功能就是將整流 /充電器輸出的直流電壓變換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻 CVCF 的交流電。 在許多場(chǎng)合，電網(wǎng)提供的 50Hz 工頻電源不能滿足負(fù)載的特殊需要。 逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?,實(shí)現(xiàn)逆變的電路稱為逆變電路。 逆變器原理 逆變器是在線式交流 UPS 不間斷電源的核心，因?yàn)樵谠诰€式 UPS 系統(tǒng)中，無論市電正常與否，逆變電路都必須正常工作，除非逆變器發(fā)生故障，這是在線式UPS 的特點(diǎn)決定的。當(dāng)電源 17 裝置維修時(shí)，通過維修旁路開關(guān)切換至維修旁路電源，此電源取自市電；一旦維修完畢，即切換至逆變器供電或靜態(tài)旁路電源供電。這種方案可保證負(fù)載的供電不間斷。 (3)如果市電交流輸入不正常的同時(shí)，逆變器又發(fā)生故 障，這時(shí)要保證負(fù)載的不間斷供電，可采用既有逆變器備用單元，又有靜態(tài)旁路電源的設(shè)計(jì)方案。具體來說 :如果有逆變器的備用單元，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過快速開關(guān)立即切換至備用單元，保證負(fù)載的不間斷供電，這時(shí)負(fù)載得到的仍是穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電； ，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過靜態(tài)開關(guān)迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負(fù)載供電，不過，這時(shí)負(fù)載得到的是市電，供電質(zhì)量比較差，無穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負(fù)載不間斷供電。 (2)當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明顯，圖 21 所示結(jié) 構(gòu)的 UPS 就不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。 不間斷供電原理 圖 22 UPS工作原理框圖 對(duì)比圖 21 和圖 22 得知 (1)在交流輸入電源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異常或斷電、或者整流器發(fā)生故障時(shí)，整流器就無直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓，逆變器仍能正常工作。 隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，尤其是大功率高壓場(chǎng)效應(yīng)管等新型 16 高頻開關(guān)器件的出現(xiàn)，使得功率變換器的開關(guān)頻率得到很大的提高，減小了功率變換器中的變壓器體積和重量，從而大大減小了開關(guān)電源的體積和重量。 (3)開關(guān)電源的研究發(fā)展歷史比較短，在 20 世紀(jì) 60 年代中期開始了相關(guān)的研究，并于當(dāng)時(shí)研制出了 DC／ DC 變換器，這為開關(guān)電源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。線性電源的功率調(diào)整管工作在放大區(qū)，通過的電流是連續(xù)的。目前相控電源已經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢(shì)。相控電源所使用的變壓器 是工頻電源變壓器，它的體積龐大，由此造成相控電源本身體積龐大、效率低下。目前，常用的充電電源主要有以下三種：相控電源、線性電源和開關(guān)電源。 蓄電池技術(shù) 蓄電池技術(shù)的存在是 UPS 系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的根本，自從 1859 年法國(guó)科學(xué)家普朗特以鉛為電極制成鉛酸蓄電池以來，鉛酸蓄電池經(jīng)過一百多年的發(fā)展與完善，已經(jīng)成為世界上廣泛使用的一種化學(xué)電池，鉛酸蓄電池由于其成 本低、容量大、安全可靠等特點(diǎn)，在通訊、鐵路、軍事、電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為社會(huì)生產(chǎn)和人類生活中不可缺少的設(shè)備。 (1)蓄電池是電網(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，是UPS 實(shí)現(xiàn)其功能的重要保證。 UPS 的中文意思為“不間斷電源”，是英語“ Uninterruptible Power Supply” 15 的縮寫，它可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在停電 之后繼續(xù)工作一段時(shí)間以使用戶能夠緊急存盤 ，使用戶不致因停電而影響工作或丟失 數(shù)據(jù) 。這種管理方式企業(yè)投入成本高，維護(hù)人員工作量大，不易實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，設(shè)備事故預(yù)防能力低。如干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等。 UPS 是針對(duì)中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境和 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等對(duì)電源的可靠性要求，克服中、大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集中供電所造成的供電電網(wǎng)環(huán)境日益惡劣的問題，以全新的數(shù)字技術(shù)研制出的第三代工頻純?cè)诰€式智能型 UPS。 UPS 系統(tǒng)功能概述 系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)當(dāng)市電輸入出現(xiàn)故障，突然停電時(shí)， UPS 替代市電實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間的對(duì)負(fù)載持續(xù)供電，保證負(fù)載正常工作。 (5)對(duì)用戶的危害 :頻率下降 ,將使用戶的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下 降 ,出力降低 ,從而影響用戶產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。當(dāng)?shù)皖l運(yùn)行時(shí) ,所有廠用交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都相應(yīng)的下降 ,因而火電廠的給水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等輔助設(shè)備的出力也將下降 ,從而影響電廠的出力。因?yàn)轭l率下降時(shí) ,會(huì)引起機(jī)內(nèi)電勢(shì)下降而導(dǎo)致電壓降低 ,同時(shí) ,由于頻率降低 ,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低 ,同軸勵(lì)磁電流減小 ,使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓進(jìn)一步下降。 (2)使發(fā)電機(jī)出力降低 ,頻率降低 ,轉(zhuǎn)速下降 ,發(fā)電機(jī)兩端的風(fēng)扇鼓進(jìn)的風(fēng)量減小 ,冷卻條件變壞 ,如果仍維持出力不變 ,則發(fā)電機(jī)的溫度升高 ,可能超過絕緣材料的溫度允許值 ,為了使溫升不超過允許值 ,勢(shì) 必要降低發(fā)電機(jī)出力。在正常頻率運(yùn)行情況下 ,汽輪機(jī)葉片不發(fā)生共振。設(shè)備壽命縮短 ,家用電器工況變壞等 . 電力系統(tǒng)在低頻率運(yùn)行 電力系統(tǒng)低頻運(yùn)行是非常危險(xiǎn)的 ,因?yàn)殡娫磁c負(fù)荷在低頻率下重新平衡很不牢固 ,也就是說穩(wěn)定性很差 ,甚至產(chǎn)生頻 率崩潰 ,會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的