1、 本科毕业设计 （ 20 届） 正弦波在线式不间断电源制作 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - - 摘 要 不间断电源（ UPS），是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，能够提供输出电压的频率、幅度稳定的电源设备。其组成由主机及 蓄电池组组成。而主机主要由逆变器、整流充电电路、控制模块、显示面板、通信接口等组成。 系统设计的原理是采用 boost电路和逆变电路组成的交流电源电路，控制芯片采用正弦波逆变器专用芯片 U3990F6-50Hz，主要分析了主电路和控制电路的大概组成和原理。在很多领域里需要安全的低压供电电源，可以通过变压
2、器将市电转换成用户所需要的安全电压，但市电是不稳定的。为了提高供电的质量，并在市电停电时提供不间断供电电源，在某些领域是很有必要的。 关键词： UPS； U3990F6； 正弦波 - - 2 - - Abstract Uninterruptible power supply (UPS), is an energy storage device that contains, as main components in the inverter can provide output voltage frequency and amplitude of steady power supply. It
3、s composition by the composition of the host and batteries. The host mainly by the inverter, rectifier charging circuit, the control module, display panels, communication interfaces etc. ASIC U3990F6-50Hz, the main analysis of the main circuit and control circuit about the composition and principles
4、. In many areas of need for safe low-voltage power supply, through the transformer to convert mains voltage security user needs, but the electricity is unstable. In order to improve the quality of power supply and power cut to provide uninterrupted power supply, in some areas is necessary. Key Words
5、: UPS; U3990F6; sine wave - - 3 - - 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 UPS 的定义 . - 1 - 1.2 UPS 的分类和发展 . - 1 - 1.2.1 UPS 的分类 . - 1 - 1.2.2 UPS 的发展 . - 1 - 1.3 本文研究的主要内容 . - 2 - 2 UPS 的工作原理 . - 3 - 2.1 后备式 UPS 工作原理 . - 3 - 2.2 在线互动式 UPS 工作原理 . - 3 - 2.3 在线式 UPS 工作原理 . - 4 - 3 硬件电路设计 . - 5 - 3.1 总体方案设计 . - 5 - 3.2 输
6、入切换部分设计 . - 5 - 3.3 功率输出部分设计 . - 6 - 3.4 保护电路设计 . - 6 - 4 元组件的选取 . - 8 - 4.1 U3990F3 介绍 . - 8 - 4.2 驱动电路采用专用芯片 IR2110. - 10 - 4.2.1 IR2110 的工作原理 . - 11 - 4.2.2 TR2110 的特点 . - 12 - 4.3 其他关键元件的选取 . - 13 - 5 硬件电路组装 . - 14 - 5.1 印刷电路板基本制作方法 . - 14 - 5.2 印刷板制作工艺流程 . - 14 - 5.3 在制板焊接过程中的心得 . - 14 - 6 电路调试
7、 . - 15 - 6.1 测试结果显示 . - 15 - 6.2 测试数据 . - 15 - 6.3 测试误差分析 . - 16 - 7 结论 . - 17 - 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 18 - 附录 1 实物图 . - 19 - 附录 2 电路原理图 . - 22 - 附录 3 PCB 图 . - 23 - 附录 4 毕业设计作品说明书 . - 24 - - - 1 - - 1 引言 1.1 UPS 的定义 UPS 的中文意思为“不间断电源”，是英语“ Uninterruptible Power Supply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以
8、使用户能够紧急存盘，使您不致因停电而影响工作或丢失数据 1。它在计算机系统和网络应用中，主要起到两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源 。 1.2 UPS 的分类和发展 1.2.1 UPS 的分类 UPS已从 60 年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还 在继续发展 2。目前， UPS 一般均指静止式 UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类 。 1.2.2 UPS 的发展 随着不断地被开
9、发出来的新技术在实践中的逐步应用，可以预见：今后 UPS电源将向着数字化、智能化、网络化的方向发展。 2l世纪初，全球 UPS技术将向着数字化的方向发展，一方面在控制技术中采用了数字信号处理器 DSP控制，使输人电流正弦化，并与市电电压相同，从而实现 UPS高输入功率因数 (PV约为 1)，消除对市电的谐波“污染”，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本，达到环保的目的 。另一方面，在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统模式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和 20 kHz以上的 SPWM调制，使 UPS动态响应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保
10、护技术，使逆变器不仅具有较强的过载能力，允许 100负载不平衡 (指三相逆变器 )，而且具有强有力的自身保- - 2 - - 护。也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器输出变压器，不仅噪音低而且效率高。全数字化 UPS是新一代 UPS，它具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点 3。 UPS的智能化主要通过系统的 控制软件实现。主要包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息监测与显示等。 在计算机网络以及通信事业迅猛发展的推动下，把 UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切。动态的、远程的 UPS管理成为每一个 UPS使用者所追求的目标。 今天，
11、UPS不间断电源已经越来越普及，作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的一个重要因素，电源质量的可靠性和先进性已经引起越来越多的人的重视。高频化、数字化、智能化、网络化、高效率、大容量单机冗余化是今后UPS发展的主要方向。相信随着科技的不断 进步， UPS技术在不久的将来也将开辟一个更新的领域。 1.3 本文研究的主要内容 本设计要达到的目标是设计一正弦波的不间断电源，具体要求如下： （ 1）在交流供电 U1=36VAC 和直流供电 U3=36VDC 两种情况下，输出电压 U2=24VAC，且其频率为 50 1Hz，额定输出电流 1A； （ 2）切断交流电源后，在输出满载情况下工作时间 10
12、分钟； （ 3）交流供电时，电源达到以下要求： 电压调整率：满载条件下， U1 从 29VAC 增加至 43VAC， U2 变化不超过 5%； 负载调整率： U1=36VAC、 U2=24VAC，从空载到满载， U2 变化不超过 5%； （ 4）蓄电池供电时，满载条件下，效率 大于 75%（ 2233UIUI ）； （ 5）具有输出短路保护功能。 - - 3 - - 2 UPS 的工作原理 2.1 后备式 UPS 工作原理 后备式 UPS：在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压
13、稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波 4。 平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工 作状态，并将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，后备式 UPS 也被称为离线式 UPS。 后备式 UPS 存在 2 至 10 毫秒的时间切换，不适合于关键性供电场所。此外，后备式 UPS 一般只能持续供电几分钟到十几分钟。 后备式 UPS 电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合。 2.2 在线互动式 UPS 工作原理 在线互动式 UPS：在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过 UPS 内部稳压线路稳压后输出，当
14、市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其 特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点，但同样存在切换时间，但和一般后备 UPS 相比，这种机型保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波。 在线式 UPS 在工作时，首先将市电转化为直流电给 UPS 电池充电，同时逆变器（见提示）将此直流电逆变为交流电为负载供电，由于市电经过了交流到直流、再到交流的转换过程，所以市电中原有的干扰和脉冲电压成分已经过滤得非常干净，因此，由在线式 UPS 逆变出来的电压很稳定。由于逆变电路始终在工作，所以当停电时， UPS 能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行 供电，从而达到
15、了输出电压零中断的切换目标。双变换也是指 UPS 的输出电压经过了两次交直流的互相转换过程。而高频则表示 UPS 内部工作在高频环境下。高频 UPS 的好处是体积小，重量轻，工作效率高，其坏处是抗过载抗冲- - 4 - - 击能力差 5。 2.3 在线式 UPS 工作原理 在线式 UPS 在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的 场合，但是成本较高。目前，功率大于 3KVA 的 UPS 几乎都
16、是在线式 UPS6。 这是一种智能化的 UPS，所谓在线互动式 UPS，是指在输入市电正常时，UPS 的逆变器处于反向工作（即整流工作状态），给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此在线互动式 UPS 也有转换时间。同后备式 UPS 相比，在线互动式 UPS 的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，而其最大的优点是具有较强的软件功能，可以方便地上网，进行 UPS 的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是 否处于正常范围之内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压。而且它与计算机之间可以通过数据接口（如
17、RS-232 串口）进行数据通讯，通过监控软件，用户可直接从电脑屏幕上监控电源及 UPS 状况，简化、方便管理工作，并可提高计算机系统的可靠性。这种 UPS 集中了后备式UPS 效率高和在线式 UPS 供电质量高的优点，但其稳频特性能不是十分理想，不适合做常延时的 UPS 电源。 本设计就是采用在线式 UPS 这种工作方式。 - - 5 - - 3 硬件电路设计 3.1 总体方案设计 图 3-1 整个设计的原理框图 本设计采用 boost 电路和逆变电路组成的交流电源电路，控制芯片采用正弦波逆变器专用芯片 U3990F6-50Hz，主要分析了主电路和控制电路的大概组成和原理。 3.2 输入切换
18、部分设计 图 3- 2 输入切换部分电路图 变压器 AC220V 输入 整流器 切换开关 蓄电池 逆变电路 升压电路 逆变电流检测 SPWM 输出电压检测 AC24V 输出 驱动电路 电池电压检测 - - 6 - - T1 是输入变压器，变比为 AC220/AC36,B1 是整流桥，继电器 K1 用来切换市电和蓄电池两种工作方式， C1,C2 和 C3 是输入滤波电容。当有市电输入时，继电器 K1 吸合，开关切换到市电，负载由市电供电。当市电停止，继电器 K1放开，负载由蓄电 池供电。在切换过程中由于输入滤波电容的储能作用，保证负载不断电。 3.3 功率输出部分设计 图 3-3 输出部分电路图 输出部分采用桥式逆变电路的结构， Q2Q5 是逆变桥的 4 个功率开关管；L2 和 L3 是滤波电感； T2 是逆变输出电压采样变压器，变压器变比设计为 24：9，变压之后进行整流，整流后的信号经 R51 分压等到采样信号 AV_CK， AV_CK送到 SPWM 控制芯片的逆变输出电压反馈引脚，由芯片对逆变输出电压实现稳压、调压，调节电位器 R51 可以调节逆变器输出电压； R90 是过流检测电阻，当输出短路时，电阻 R90 上的压降大到可以使 U13 导通， SPWM 控制芯片停止脉冲输出。 3.4 保护电路设计
