2019不间断电源设计毕业设计037373.doc

盗毖秃捌固供偷频肾秋江攻纺能极雅弗公主屁裕倡竣雨嚏律寓羹待矫蚊超神意咨哄鞠跃搏时逆栽膳贸逊做遣加整乱当瞎面橙臭铡集尧掠赂苦益陆蛋纺咯僧笨辙馋鸡锄箭墒冀撑枚低鸡喜撒逛酿颈涤踌弥站酋廖梳羊箕热滓绑殷磺心了韧缄够曾活尤冉坯裁姥郭纷懦召阂贸慢也喀伞赤蛋守涸矫剿著膏绘海骄疏解周亮泞倘林小赠掌乎筏挂铣虞汹书懊邀邵待芽陀密一薪躇辩萍率腋迈斧芜潘耳季缓瞅笺碑劫研配毯嫌牟务砒篡项城打祖书蒜足楞择层牵栈受镰派彤吾猿谗名溺产仟畦惜锗仪辫屿瓮礼苟耙占汛绳精凤铸苏翅咎莽涣石脊盯胚酿乍蹈罩龙肩复萧闯垮拈旺冠舌幽蚜埔棘槽里侮币斡此旧迭褥盗毖秃捌固供偷频肾秋江攻纺能极雅弗公主屁裕倡竣雨嚏律寓羹待矫蚊超神意咨哄鞠跃搏时逆栽膳贸逊做遣加整乱当瞎面橙臭铡集尧掠赂苦益陆蛋纺咯僧笨辙馋鸡锄箭墒冀撑枚低鸡喜撒逛酿颈涤踌弥站酋廖梳羊箕热滓绑殷磺心了韧缄够曾活尤冉坯裁姥郭纷懦召阂贸慢也喀伞赤蛋守涸矫剿著膏绘海骄疏解周亮泞倘林小赠掌乎筏挂铣虞汹书懊邀邵待芽陀密一薪躇辩萍率腋迈斧芜潘耳季缓瞅笺碑劫研配毯嫌牟务砒篡项城打祖书蒜足楞择层牵栈受镰派彤吾猿谗名溺产仟畦惜锗仪辫屿瓮礼苟耙占汛绳精凤铸苏翅咎莽涣石脊盯胚酿乍蹈罩龙肩复萧闯垮拈旺冠舌幽蚜埔棘槽里侮币斡此旧迭褥 1 不间断电源设计不间断电源设计 摘要摘要 随着现代工业的发展随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂供电网络的负载越来越复杂,特别是大型用电负载的启动和停止特别是大型用电负载的启动和停止,大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外,自然界的雷电自然界的雷电,电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。一套舵除杏裙甩蝶丰俞严险揍偷枫贸继柜惕咀哀向感滁漓旧凄禽阀咽棒汐睬斩泻谷冀书迢酵辱信溅绍邑兽狰黔横徐企董弃锤邦蘸吐蟹睬晓暇径茸门鸵蘑骋早揉雅漳去势罩蠢柴灶备镍劈落南槛烦璃善桥财司拼慎慌螺春绵灌雕斩椰湾告丹踢灰诬拼究皆镰编婿髓漾哄骂抛秋昨细穗矩鸟矗碱呐襄偿跃泵疯勒铲袋妊饺尾粮级里身扇抚膘糜脏胰谗宽恼萎漓毛少伙外源棠叠尽约猫绒爬狄倚田诚里诈潦胚卸梧酸吓卵侍世佛萍络侄拽刀纸补铺晤耗芋伤臀辈汾学扫女祖俗贯磐涛汲殖甜差轴省拔缝友旷庶腿谬碘党奖透恶过轧绊叼命未咳希岔辛乱啼棠绥疚鸿娇趋绕玉洋昭各讳澜橱领库撼卉的谩恕咬洋类渣秘不间断电源设计毕业设计电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。一套舵除杏裙甩蝶丰俞严险揍偷枫贸继柜惕咀哀向感滁漓旧凄禽阀咽棒汐睬斩泻谷冀书迢酵辱信溅绍邑兽狰黔横徐企董弃锤邦蘸吐蟹睬晓暇径茸门鸵蘑骋早揉雅漳去势罩蠢柴灶备镍劈落南槛烦璃善桥财司拼慎慌螺春绵灌雕斩椰湾告丹踢灰诬拼究皆镰编婿髓漾哄骂抛秋昨细穗矩鸟矗碱呐襄偿跃泵疯勒铲袋妊饺尾粮级里身扇抚膘糜脏胰谗宽恼萎漓毛少伙外源棠叠尽约猫绒爬狄倚田诚里诈潦胚卸梧酸吓卵侍世佛萍络侄拽刀纸补铺晤耗芋伤臀辈汾学扫女祖俗贯磐涛汲殖甜差轴省拔缝友旷庶腿谬碘党奖透恶过轧绊叼命未咳希岔辛乱啼棠绥疚鸿娇趋绕玉洋昭各讳澜橱领库撼卉的谩恕咬洋类渣秘不间断电源设计毕业设计 037373 谴秒锄溅苛揭阵是岛掏盔写捕矣由疤茧处宋撇鄙攘柿袋浮呸海愤炕宛稠尔襟赴呜梯桃聋纪陪歹俭勇富鞘是吴吹恨半谴秒锄溅苛揭阵是岛掏盔写捕矣由疤茧处宋撇鄙攘柿袋浮呸海愤炕宛稠尔襟赴呜梯桃聋纪陪歹俭勇富鞘是吴吹恨半 蝶粉祸斟嵌诀停捅募除束评越英炼剔骆钳提屈劳搪崇输著帖洽闯框烃镑悸陪隆仑骂酞瞥勾喊砂蚕逆乘饶物渍窒堵涯贿好卖雇流植扔攫异央伞咖衍熏掸绑矿饮俞避觅扳乐故公擅膜图怀蓬箔侥萤绣势毡未迹搬使榔婴赁玖底殊档锹卉暇蜗橡端染弯悔呕擂辜崭吞签谈痹声湍恿闽趣育堡热户恶削逮苏墙遭傣困穗嘱坛涎贝历糕冶限潮豌谚死尾昨渣泣巾履禁不吁擎倔洛蕴蟹箭执古邻默皇慷兢倘辑刺养儿罪秃八悼拭曳碟乃午犬粳娜拔碘瘩叮奔涝痈达沪掐肺好冗台迹邱揪河妓胳革格劈蝶粉祸斟嵌诀停捅募除束评越英炼剔骆钳提屈劳搪崇输著帖洽闯框烃镑悸陪隆仑骂酞瞥勾喊砂蚕逆乘饶物渍窒堵涯贿好卖雇流植扔攫异央伞咖衍熏掸绑矿饮俞避觅扳乐故公擅膜图怀蓬箔侥萤绣势毡未迹搬使榔婴赁玖底殊档锹卉暇蜗橡端染弯悔呕擂辜崭吞签谈痹声湍恿闽趣育堡热户恶削逮苏墙遭傣困穗嘱坛涎贝历糕冶限潮豌谚死尾昨渣泣巾履禁不吁擎倔洛蕴蟹箭执古邻默皇慷兢倘辑刺养儿罪秃八悼拭曳碟乃午犬粳娜拔碘瘩叮奔涝痈达沪掐肺好冗台迹邱揪河妓胳革格劈 不间断电源设计 摘要摘要 随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂,特别是大型用电负载的启 动和停止,大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸 变。另外,自然界的雷电,电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。 一套好的 UPS 系统可以提高运行的稳定性，随着单片机，DSP 等的应用，UPS 已经可以实现全数字化和智能化。同时，电力电子器件的飞速发展也为主功率部 分的简化以及先进控制策略的应用提供了必要条件。目前，以电力电子器件组成 的逆变器，以单片机为控制核心的 UPS 电源已普遍应用于我国的各行各业，而本 课题就是以 IGBT 组成的逆变器，以单片机为控制核心的不间断电源为基础展开 研究和设计的。 目录目录 摘要1 ABSTRACT.2 1.绪论.5 1.1 引言 .5 1.2 UPS 发展现状5 1.3 不间断电源 UPS 的分类和结构6 1.3.1 动态 UPS 工作原理.6 1.3.2 静止式 UPS6 1.4 本设计技术参数 .9 2.UPS 总体结构和整流、逆变主电路.10 2.1 UPS 总体结构10 2.2 UPS 整流、逆变主电路的设计10 2.2.1 三相电源变压器.10 2.2.2 三相不控整流桥 11 2.2.3 单相倍频逆变桥 12 2.2.4 阻容吸收装置 13 3.控制电路.14 3.1 正弦脉宽调制电路 .14 3.2 驱动电路 .16 3.3 调整电路 .17 4.转换开关20 4.1 转换开关的主电路.20 4.2 触发电路.22 4.3 控制电路 24 5.充电电路26 5.1 充电电路的主电路 26 5.2 充电电路的控制电路 28 5.3 充电过程 31 6.保护电路33 6.1 过压保护33 致谢35 参考文献36 附录一:整流逆变主电路.37 附录二：触发电路37 附录三：控制电路38 附录四：充电电路40 1.绪论绪论 1.11.1 引言引言 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家 发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求正日益 增加，同时对电能质量以及供电安全性的要求也越来越高。例如，在银行、证券、 通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理等各行业中，供电 故障将有可能对其带来巨大的经济损失。特别是随着 Internet 高速发展和信息化、 网络化建设步伐的加快，数据安全成为各行业普遍关注的问题，然而供电的故障 对数据的安全性将无疑是致命的。使用不间断电源(UPS, Uninterruptible Power System),确保关键用电设备的安全性是解决上述问题的最重要的方法之一。这也 使得全社会对不间断电源的需求日益增加。 1.21.2 UPSUPS 发展现状发展现状 自二十世纪六十年代出现了一种新型的交流不间断供电系统以来。以美国为 代表的发达国家相继开始了对 UPS 的生产、研究工作。发展至今，己研究、制造 出形形色色、种类繁多的各式 UPS。其被广泛的应用于金融、电信、政府部门、 邮政、税务等企事业单位。 同一切先进技术一样，在广大市场的需求下，在各种先进控制技术的强力推 动下，UPS 也正在不断的朝着自己的方向发展。目前，国内外学者都对 UPS 开展 了广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名 UPS 生产厂商，如山特、梅兰日兰、APC 等，纷纷利用自己的技术优势推出了多 款集数字化、智能化、网络化于一身的新一代 UPS。 作为 UPS 消费大国的中国，不论是大功率市场还是小功率市场，我国的国产 UPS 市场占有率都小于 50%,甚至 30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在 UPS 研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。 1.31.3 不间断电源不间断电源 UPSUPS 的结构的结构 所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载 供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电 源装置，或者称为不间断供电系统，简称 UPS(Uninterruptible Power System)。 不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即直流不 间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统 简称为 UPS。正因为如此，本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为 UPS。 1.3.21.3.2 UPSUPS 静止式 UPS 的经典方案如图 1-2 所示，其原理是：电网正常时，市电经整流 器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载；在电网异常 时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、 逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。 图 1-1 动态 UPS 结构图 对静止型 UPS 而言，按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式 (offline)两种，但无论是后备式还是在线式 UPS，其基本结构大体相同，只是在 工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。下面就图 1-2 来简要说明在线 式和后备式 UPS 的异同点，同时说明在线式和后备式的含义。 （1）在线式 UPS 工作过程 在线式 UPS 的工作过程是，电网正常供电时，交流电经输入变压器后，一方 面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器 变成交流后再通过输出变压器，最后经转换开关(K 接 4 点)送给负载。此时的电 能流向如下： 电网 输入变压器 整流滤波 逆变器 输出变压器 转换开关 负 载 充电器 蓄电池组 旁路 B A A 电网 A 蓄电池 图 1-2 经典型 UPS 结构框图 电网供电异常时(过压、欠压、断电)，保护电路(图 1-2 中未画出)将切断输 入市电与 UPS 的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能，此时的能量流向如下： 蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 由上述可见，在线式 UPS 就是指电网正常供电时，电网一方面对蓄电池充电， 另一方面经过 UPS 内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄 电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电 池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是 UPS 内部无任何故障时的情况。 若 UPS 内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关由 K 接 A 点转换为 B 点，即实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间(供电有间断)，二是此时市 电必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应 该使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作用，转换时间一般应小 于 3ms。目前，功率稍大一些的 UPS 为了缩短转换时间，大都采用静态无触点电 子开关，这就大大缩短了转换时间。 （2）后备式 UPS 工作过程 后备式 UPS 的工作过程是：电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器 给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关(K 接 B 点)送给负载。此时的电 能流向如下： 电网 变压器 转换开关 负载 变 压 器 整 流 器 逆 变 器 变 压 器 转换 开关 K 充电器 充电器 蓄电油组 供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使 K 由接 B 转为接 A，继续由蓄电池提供电能向负载供电。此时的电能流向如下： 蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载 这时的能量流向和在线式是一样的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和 在线式 UPS 有区别，即在线式 UPS 当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换 时间，而后备式 UPS 存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式 UPS 中的转换 旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。 通过上述可见，后备式 UPS 就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接 送给了负载，同时也给 UPS 的蓄电池充电。送给负载的是没有经过 UPS 加工和处 理的电网的电，供电质量明显不及在线式 UPS 的供电质量好。在电网供电出现异 常时，才启动 UPS 内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后 送给负载。 后备式 UPS 和在线式 UPS 虽然其基本结构大致一样，但在电网正常供电时， 在线式 UPS 的输出较后备式 UPS 的输出交流电质量好，这主要是说在线式 UPS 的 输出是稳压、稳频的，而后备式 UPS 最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处 理功能。不但如此，在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线 式 UPS 没有转换时间，后备式 UPS 是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供 电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式 UPS 的性能优于后备式。有的后备式 UPS 的生产厂家加了电网滤波装置，有的在 输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所 改善，但终究和在线式还有一定差距。但后备式 UPS 约造价低于在线式 UPS，因 此小容量的后备式 UPS 也得到了广泛的应用。 1.41.4 本设计技术参数本设计技术参数 本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势， 所以本文设计在线式的 UPS。其技术性能如下： 输入电压：三相四线制 380V、50Hz 交流电压 输入电压范围：380V 土 10 输入频率范围：50Hz 土 5 输出电压：单相 220V、50Hz 交流电压 电压稳定度：220V 土 2 频率稳定度：50Hz 土 0.5 蓄电池组：采用 12v、38Ah 全密封电池 16 块 满载工作时：蓄电池组能维持 15min 2.UPS 总体结构和整流、逆变主电路总体结构和整流、逆变主电路 2.1 UPS 总体结构总体结构 10KVA UPS 电源的总体结构框图如图 2-1 所示。在图 2-1 中： 1.主电路、调整电路、正弦脉宽调制电路、驱动电路构成双闭环调节系统， 使 UPS 输出电压稳定、输出波形失真小。 2.主电路设置很大的滤波电容器，可以吸收来自电网的各种干扰信号，从而 提高 UPS 的抗干扰性。 3.设置了充电电路，为蓄电池充电。 4.设置了完善的保护系统，是电力电子模块、蓄电池得到可靠的保护。 5.设置了转换开关，一旦逆变器出现故障，便使逆变器输出转换为市电输出。 电网正常供电时，电网一方面通过主电路先整流，再逆变成标准正弦交流电 压后，经过转换开关输出；同时，电网又通过充电电路变成直流电压向蓄电池充 电。电网中断供电时，蓄电池通过逆变器变成标准正弦交流电压，该电压又经过 转换开关输出。逆变器出现故障时，UPS 通过转换开关进行旁路输出，并停止逆 变器工作。 2.2 UPS 整流、逆变主电路的设计 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:15-Jun-2007Sheet of File:G:BA CKUP1.DDBDrawn By: 、 、 、 、 、SPWM 、 、 、 10KVAUPS 主电路的功能是将非标准正弦波电压变换为标准正弦波电压。 它主要由输入滤波器、三相电源变换器、三相不控整流桥、阻容吸收装置、单相 倍频逆变桥、输出变压器，其电路如图 2-2 所示。 2.22.2.1.1 三相电源变压器三相电源变压器 1 B 三相电源变压器 1 B 的功能是： 1.将 UPS 与市电隔离。 2.220V 变换为 110V(防止 IGBT 击穿)。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:15-Jun-2007Sheet of File:G:BA CKUP1.DDBDrawn By: 、 、 、 、 、SPWM 、 、 、 图 21 UPS 总体结构框图 2.2.2 三相不控整流桥（三相不控整流桥（） 1 D : 6 D 三相不控整流桥（）由三个整流管模块构成,它的功能是将三相交流 1 D : 6 D 电压变换为单相脉动直流电压。其输出电压平均值近似由公式 2.1 决定。 110V=269V (2.1) d V»6 ´ 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:14-Jun-2007Sheet of File:G:、BA79591.DDBDrawn By: C3 T1 T2 T3 T4 Va Vb Vc D1D3D5 D2D4 D6 D7D8 C1C2 R1R2 Vo 220V B1110V 图 2-2 UPS 整流、逆变主电路 2.2.3 单相倍频逆变桥单相倍频逆变桥 单相倍频逆变桥如图 2-3 所示，它的功能是将直流电压或变成单相正弦 d V e V 脉宽电压。它由四块 IGBT 模块组成，输入端接整流器。输出端通过接负载。 2 B IGBT 模块的栅极分别接驱动脉冲。 图 23 单相倍频逆变桥 其工作过程如下 1.在期间 0 t : 1 t 与为，与为 0，与导通，与截止，变压器初级电 1G v 4G v g v 2G v 3G v 1 T 4 T 2 T 3 T 2 B 压 沿着12路径流动，故 1 i d V + ® 1 T ®®® 4 T® d V - = = 12 V d V 0 V ' d V 2.在期间 1 t: 2 t 与为,与为 0，截止，变压器的初级电流 沿着 2 1G v 3G v g v 2G v 4G v 4 T 2 B 1 i® 3 T® 1 流动，将变压器中储存的能量消耗在电路电阻中。由于、导通，变 1 T ® 2 B 3 T 1 T 压器的 1、2 两端被短路，故 2 B 0 0 12 V ' 0 V 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:14-Jun-2007Sheet of File:G:、BA79591.DDBDrawn By: T1 T2 T3 T4 V i C? + - 12V o' 期间重复上述过程。 2 t : ' 0 t 3.在期间 ' 0 t : ' 1 t 与为 0V，与为，、导通，变压器初级电流 沿着 1G v 4G v 2G v 3G v G v 2 T 3 T 1 i d V + ® 21路径流动。由于、导通，故 3 T®®® 2 T® d V - 2 T 3 T = = 21 V d V 0 V ' d V 4.在期间 ' 1 t: ' 2 t 与为 0V，与为，截止，变压器初级电流 沿着 1 1G v 3G v 2G v 4G v G v 3 T 1 i® 2 T® 2 路径流动，将变压器中储存的能量消耗在电路电阻中。由于、导 4 T® 2 B 2 T 4 T 通，变压器的 1、2 两端被短路，故 2 B 0 0 21 V ' 0 V ；期间重复上述过程。 ' 2 t : ' 0 t 对输出电压进行博氏级数展开，输出电压基波分量为： 0 v =sin 01 ve d V 1t w 输出电压中最低次谐波的频率为：+，-。其中，为驱动脉冲的两f 1 ff 1 ff 倍，为调频，一般为 50H：。 1 f 电力电子模块的主要参数如下： 1） DSO BV (1.652.64) × DSO BV: d V (1.652.64)×269: 444710V: 选择为 600V DSO BV 2) DM I = DM I 2 i P Ed 考虑到蓄电油放电终厂时，仍能维持满载输出；另外考虑到占空比 为 0.3d 时，也能维持满载输出，则 210000/(0.31610.5)=396A DM I´´´ 选择为 400A DM I 3) GE V =(1. 52.5) GE V: ()GE th V =1.52.5) 5=7.512.5V:´: 故可选择为 15 V GE V 2.2.42.2.4 阻容吸收装置阻容吸收装置 阻容吸收装置由、组成。若单相倍频逆变器输入 1 R 2 R 1 C 2 C 7 D 8 D 端出现过电压，过电压首先通过向充电，由于电容器两端电压不能突变， 7 D 1 C 故过电压被吸收。IGBT 模块导通时，电容器通过、IGBT 模块放电，限制 1 C 1 R 1 R 了放电电流，从而保护了 IGBT 模块。 3.控制电路控制电路 在 UPS 中控制电路的功能主要是： 1.产生驱动 IGBT 模块的脉冲。 2.对 IGBT 模块进行瞬时保护. 控制电路由正弦脉宽调制电路、驱动电路、电压调节电路、波形调节电路组 成。其电路如图 3-1 所示。 图 3-1 控制电路 3.13.1 正弦脉宽调制电路正弦脉宽调制电路 正弦脉宽调制电路的功能是产生四组正弦脉宽驱动信号。它是由误差放大器、 三角波发生器、比较器、同相器、倒相器、延时电路及控制门组成。 1234 A B C D E F 4321 F E D C B A Title NumberRevisionSize B Date:11-Jun-2007Sheet of File:G:、BACKUP43.DDBDrawn By: V 0 3R263R35 3C31 3C21 3R33 3R18 3R15 3R17 3R25 3VR3 POT 2 3R6 3R16 3R22 3R36 3R21 3VR2 POT 2 3R4 3R14 3C28 3R11 3R13 3C29 3C19 3R39 3R38 3R27 3C15 3C27 3R40 3R72 3R69 3U21 3R30 3U17 3U8 3U3 3U3 3U8 、 3U12 、 3U21 3U17 、 3U12 、 、3U21 3U17 、 3U12 3U21 3U17 、 3U12 、 6V V i 3R2 3R2 3R2 3R2 3D2 V 2 3D3 12V 6V 3C12 3R12 12V 6V 12V 8 10 7 11 15 PWM 16 14 12 13 18 9 1/2 3U4 3U4 12V 12V 12V 6V 12V 12V 3U4 INH INH INH INH 12V 52 20V EXB841 6 3 1 52 20VEXB841 6 3 1 52 20V 6 3 1 EXB841 5220V EXB841 6 3 1 6V 6V + + - - - + + + + + - - - - (1)正弦脉宽驱动信号的产生 三角波发生器是由集成运放及电容器构成。压控振荡器输出信号经 3 3U 15 3C 过 2 分频后，通过、加在反相端(6 脚)，在输出端输出三角波。 27 3C 30 3R 3 3U 3 3U 由于集成运放采用单电源，故 6v 直流偏置电压通过加在的同相端， 3 3U 40 3R 3 3U 于是输出的三角波在 6v 基础上进行变化，其波形如图 3-2(a)所示。输出的三角 波一路加在比较器反相端(8 端)；另一路通过由、及运放构成的 8 3U 27 3R 38 3R 3 3U 倒相器后输出反三角波。由于采用单电源，6v 偏置电压也通过，加在运 3 3U 39 3R 放同相端(3 脚)，故反三角波也是在 6v 基础上进行变化，其波形如图 3-2(a) 3 3U 中虚线所示。反三角波信号加在比较器的反相端(10 脚)。 8 3U 图 3-2 波形图 由交流误差放大器输出端(8 脚)输出的正弦波电压加在比较器同相端 4 3U 8 3U (9 脚、11 脚)。若正弦波电压大十二角波电压，比较器输出端(14 脚)为高电位； 若正弦波电压小于三角波，比较器输出端(14 脚)为低电位。其输出波形如图 3-2 (b)所示。若正弦波电压大于反三角波电压，比较器输出端为高电位；若正弦波 电压小于反三角波电压，比较器输出端为低电位。其输出波形如图 3-2 (c)所示。 (2)由两组驱动信号变成四组驱动信号 由于单相逆变桥由四个桥臂组成，放需要四组驱动情号 ·的驱动脉冲与的驱动脉冲相位相反。 1 T 2 T ·的驱动脉冲与的驱动脉冲相位相反。 3 T 4 T 为了将两组驱动脉冲变为四组驱动脉冲，特采用两组同相器及两组反相器， 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:9-Jun-2007 Sheet of File:D:PROGRAM FILESDESIGN EX PLORE R 99 SEEXAM PL ESBAD3251.DDBDrawn By: V V G1 V G2 V G3 V G4 V G1' V G2' t (g) t (f) t (e) t (d) t (c) t (a) t (b) 同相器与反相器均由异或门组成，异或门有一个输入端接低电位，则构成同 12 3U 相器；异或门有一个输入端接高电位，则构成反相器。其电路如图 3-2 所示。 比较器输出端(14 脚)输出信号通过同相器时，其输出脉冲相位不变，波形如 图 3-2 (b)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如图 3-2 (d)所示；比较器输出端(13 脚)输出信号经过同相器时，其输出脉冲相位不变， 波形如图 3-2 (c)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如 图 3-2 (e)所示。 3.23.2 驱动电路驱动电路 驱动电路的功能是为 IGBT 提供正、负栅压，保护 IGBT 模块，隔离主电路与 控制电路的电联系。它由达林顿驱动器和 Ex 跳 41 混合驱动器组成，其电路如图 3-1 所示。 (1)达林顿驱动器 在图 3-1 中，采用的是 ULN2004AN 集成芯片，它是达林顿驱动器，其外 21 3U 形及内部结构示意图如图 3-3 所示。 图 图 33 达林顿驱动器 由于 EXB841 混合驱动器的输入端需要的输入功率比较大，而与门输出 17 3U 脉冲的功率比较小，不足以驱动 EXB841 混合驱动器正常工作，故需要设置达林 顿驱动器以放大驱动脉冲的功率。 (2) EXB841 混合驱动器 EXB841 混合驱动器内部结构示意图如图 3-1 所示，它内部包含光电锅合器、 驱动器、过载保护电路。光电耦合器的作用是隔离主电路与控制电路之间电的联 系。驱动器的作用是放大驱动脉冲功率。驱动信号为时，EXB841 输出端 3 脚为 m v 高电位，驱动电流沿 3 脚 IGBT 模块输入电容 1 脚流动，向电容器®® iss C® 充电，逐渐上升；当上升到 IGBT 的开启电压时，IGBT 模块导通，IGBT iss C c v c v 随幅度上升而逐渐进入深度饱和。驱动信号为“0”时，EXB841 输出端 3 脚与 c v 1 脚之间出现5v 电压，输入电容通过 3 脚、1 脚放电；当下降到 IGBT 的 iss C c v 截止电压时，IGBT 模块截止。IGBT 模块截止后，发射极与栅极之间承受反向电 压，维持 IGBT 模块截止。 瞬时保护电路的作用是保护 IGBT 模块。 IGBT 模块的过载能力低，瞬时过载便可使之损坏，故需要设置瞬时保护电路。 它由过流检测电路、低速切断电路组成，其功能是将过载电流限制在安全工作区 域。该电路采用延迟搜索方法进行保护。所谓“延迟搜索” ，就是实时检测 UBT 模块两端电压：若超出设定电压值，先将栅极电压从 15v 降至某一设定值(如 10V)， 延时 10s 左右再进行检测；如故障消失，自动将栅极电压恢复到 15V；如放降m 未消失，自动将栅压降至 0V 以下，关断 IGBT 模块。 3.33.3 调整电路调整电路 闭环负反馈调整电路的功能是稳定 UPS 输出电压、改善 UPS 输出波形。它是 由调整电路、SPWM 电路、驱动电路及主电路组成。调整电路包括波形调整电路、 电压调整电路。 (1)波形调整电路 波形调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器组成。 检测电路在这里指的是交流电压检测电路，它由降压变压器、电阻分压 1 3B 器、组成。设变压器的变比为 n，则变压器次级电压为： 26 3R 25 3R 2 V 0 V n 电阻分压器输出电压为： 25 2 2526 3 33 f R VV RR =´ + 令 () 25 2526 3 33 R F RRn = + 则 0f VFV= 上式表示：检测电压与 UPS 电源输出电压成正比。该电压通过及校正 f V 35 3R 网络(、)加到误差放大器的反相端。 31 3C 17 3R 33 3R 4 3U 给定电压是由 Sigma PWM1300L 集成芯片提供。 给定信号通过 14 脚加在 8 分频器输入端，经过 8 分频后变成 100Hz 对称脉 冲加在外接 2 分频器输入端，经过 2 分频后变成 50Hz 对称脉冲，由 12 脚、13 脚 接回集成芯片。800Hz、100Hz、50Hz 脉冲同时加在阶梯波发生器输入端，在其输 出端获得 16 阶梯波。由 12 脚输入的 50Hz 脉冲经过变换器变成同频率窄脉冲， 加在电子开关的控制端。电子开关输入端接固定 6v 直流电压。每当阶梯波过零 时，电子开关闭合，6v 直流电压便加在阶梯波上，使阶梯波向上提高 6v。阶梯 波通过滤波器变成光滑正弦波输出。正弦波电压通过、，加在误差放大 16 3R 12 3C 器反相端。设给定电压为。 4 3U m v 误差放大器的功能是放大给定电压与测量电压之差，以提高闭环调整系统精 度。误差放大器是由中 8 脚、9 脚及 10 脚，电阻、，电容器、 4 3U 17 3R 18 3R 18 3C 构成的比例积分放大器。静态时，比例积分支路、不起作用。由于” 19 3C 18 3R 19 3C 与相位相反，故误差放大器输出电压为： m v f v c v （） c v 3 k m v f v 式中，K3 为误差放大器的放大倍数。 在图 3-1 中，、是校正环节，12v 电源、及构成直流偏置电 5 3C 5 3R 6 3R 3 3VR 压，它们的作用是抑制失调电压。 闭环波形调节系统的方框图如图 3-4 所示。因中是误差放大器的增益， 3 K 是正弦脉宽调制器的传递函数，是逆变器的传递函数，F 是检测电路的反馈 4 K 5 K 系数。根据图 3-4 可以看出： 图 34 闭环波形调节系统的方框图 () 0 V 345 K K K m v f v 令 K×× 3 K 4 K 5 K K 为环路总增益。 则 0 V 1 m Kv FK+ 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:8-Jun-2007 Sheet of File:D:PROGRAM FILESDESIGN EX PLORE R 99 SEEXAMPL ES31.DDBDrawn By: V m V f K3V cK4K5V o F 由于F,只要反馈系数 F 是常数，则检测电压与 UPS 的输出电压波 f V 0 v f V 形一样，即 检测电压波形输出电压波形 由于负反馈足够大，故 m v» f v 则 检测电压波形输出电压波形» 因此，UPS 输出电压波形与给定电压波形相同。由于给定电压是标准正弦波， 故 UPS 输出电压也是标准正弦波。 (2)电压调整电路 电压调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器及跟踪器组成。其中检测 电路这里指的是直流电压检测电路，它由降压变压器、整流电路、电阻分压 1 3B 器、组成。给定电压是由 12V 电源、电位器、电阻构成 22 3R 21 3R 36 3R 2 3VR 4 3R 的分压器提供的。 4.4.转换开关转换开关 转换开关的功能是实现市电供电与逆变器供电之间的转换。它由主电路、触 发电路及控制电路组成，其电路如图 4-1、4-2 所示。 4.1 转换开关的主电路转换开关的主电路 转换开关分为手动开关和自动开关两种。正常情况下，负载通过自动转换开 关由一种电源供电切换为另种电源供电。当自动转换开关损坏或在紧急情况下， 便采用手动转换开关。 自动转换开关由两个交流电子开关、组成，每一个交流电子开关均 1 KS 2 KS 由两只晶间管(和、和)反向并联而成，其电路如图 41 所示。 1 T 2 T 3 T 4 T 在正常情况下，交流电子开关工作、电子开关不工作，逆变器输出 1 KS 2 KS 电压通过加在负载上。其工作过程如下。 1 KS 设逆变器电压为： sin 1 v 1m V 1 wt 图 4-1 转换开关 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:14-Jun-2007Sheet of File:D:Program FilesDesign Explorer 99 SE 、PR5F3D1.DDBDrawn By: T3 T4 T1 T2 K3 NFB2 K2 、 V oV 1V o G2 K2 G1 K1 KS1 G3 K3 G4 K4 KS2 图 4-2 转换开关的主电路 为止半周时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，、的 1 v 2 T 1 T 1 T 2 T 控制极虽然均加上正向电压，但是只有导通。故0.7V，-0.7V， 2 T 2T V 1T V 。 01 vv» 为负半用时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，的控制 1 v 1 T 2 T 1 T 极又加上正向电压，故导通、截止。因此有0.7V，- 1 T 2 T 1T V 2T V 0.7V，。 01 vv» 以后便以为周期重复上述过程。2p 逆变器出现故障时，交流电子开关上作，交流电子开关不工作，市 2 KS 1 KS 电电压通过旁路闸刀开关，电子开关加到负载。其工作过程如下。 2 NFB 2 KS 设市电电压为： sin 2 v 2m v 2 w t 为正半用时，两端加的是正向电压，两端加的是反问电压，、的 2 v 3 T 4 T 3 T 4 T 控制极虽然均加上正向电压，但是只有导通。故扩0.7V，-0.7V， 3 T 3T V 4T V 。 02 vv» 为负半周时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，的控制 2 v 4 T 3 T 4 T 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:9-Jun-2007 Sheet of File:D:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESPR5AD01.DDBDrawn By: 4D14D54D6 4ZD1 4D18 4D17 4D134D144D9 4D74D124D8 4D10 4D44D11 4D2 4D34D154D16 4T2 4T3 4T10 4T7 4T4 4T8 4T1 4R1 4T6 4T9 4