[B-单相在线式不间断电源] B题_辽宁赛区_大连理工大学_单相在线式不间断电源

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查看: 903回复: 3 发表于 2020-10-27 19:52:58   只看该作者
本帖最后由 JXH1999 于 2020-10-28 08:35 编辑

略有不足,还望指正呀



摘    要
   现代工业设备通信装置等都采用精密电子设备,大部分需要交流供电,对交流电源的供电质量、可靠性、连续性等都有严格的要求,而不间断逆变电源具有稳压、稳频、滤波和抗干扰等功能,且可以在交流断电时不间断继续输出交流正弦波信号,具有十分重要的作用。
单相在线式不间断电源由变压器电路、全桥整流电路、Boost升压电路、理想二极管电路、逆变器等模块组成。变压器电路由自耦变压器和隔离变压器组成,整流电路采用全桥二极管整流,升压电路采用LT8705芯片实现升压,理想二极管电路防止倒灌,逆变器电路模块由EG8010+IR2110S正弦波逆变器和EGP1000W逆变器功率板组成,进而满足在线式不间断电源的设计要求。

关键字:变压器、全桥整流、Boost升压、理想二极管、逆变器













设计要求及系统框图
设计并制作交流正弦波在线式不间断电源(UPS),结构框图如下图所示。

图1  在线式不间断电源原理框图
设计要求
(1) 交流供电,U_1=36V,输出交流电流I_o=1A 时,输出交流电压U_o=30V±0.2V,频率f=50±0.2Hz。
(2) 交流供电,U_1=36V,I_o在 0.1A~1.0A 范围变化,负载调整率S_I≤0.5%。
(3) 交流供电,I_o=1A,U_1在 29V~43V 范围内变化,电压调整率S_U≤0.5%。
(4) 在要求(1)条件下,不间断电源输出电压为正弦波,失真度THD≤2%。
(5) 断开交流电源,即时切换至直流(储能器件侧)供电,U_d=24V,输出交流电流I_o=1A 时,输出交流电压U_o=30V±0.2V,频率f=50±0.2Hz。
(6) 直流供电,U_d=24V,在U_o=30V,I_o=1A 的条件下,使在线式不间断电源效率η尽可能高。
(7) 其他
(8) 设计报告
系统框图

图2  系统框图
系统方案设计与论证
本系统主要由隔离变压器、自耦变压器、在线式UPS(整流模块、升压模块、降压模块、SPWM逆变电路)组成,下面分别论证这几个模块的选择。整流方案的论证与选择。
整流方案的论证与选择
方案一:选择全波整流,整流效率高,使用正、负半周交流电,对电源变压器要求有抽头,变压器成本高。
方案二:选择桥式整流,整流电压脉动与全波整流相同,变压器利用率较全波整流电路高,电源变压器不要求有抽头,变压器成本低。
方案三:选择倍压整流电路,整流效率高,使用正、负半周交流电,电源变压器不要求有抽头,变压器成本低.
综合以上三种方案,选择方案三。
升压电路模块的论证与选择
方案一:推挽式DC-DC变换器。推挽电路是由两个功率BJ管或MOSFET管组成。电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小,效率高。
方案二:Boost升压式DC-DC变换器。开关的开通和关断受外部PWM信号控制,通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压,电路结构较为简单,损耗较小,效率较高。
综合比较,由于Boost升压电路结构简单,易于实现,且效率很高。所以采用方案二。
SPWM逆变电路的论证与选择
方案一:单极性SPWM。开关次数少,效率高,输出的SPWM波形谐波含量高。
方案二:双极性SPWM。开关次数多,效率低,输出的SPWM波形的谐波含量低。
根据此次题目的特点,选用单极性SPWM调制方式,芯片选用EG8010纯正弦波逆变发生器。
逆变器降压模块(12V稳压)的论证与选择
方案一:使用LM5164同步降压直流转换器,LM5164可用于在宽输入电压范围内进行调节,具有出色的负载和线路瞬态相应。
方案二:使用以XL7015为核心的直流可调降压电源模块,低纹波,具有较好的的线性调整率与负载调整率。
在此题中选用以LM5164为核心的同步降压模块。
防倒灌保护电路的论证与选择
方案一:二极管放倒灌保护电路。该方案利用二极管的单向导电性来实现防倒灌,该电路较为简单,但效率较低。
方案二:整流桥防倒灌电路。其起到自动极性转换的作用,但其损耗为采用二极管的2倍。
方案三:MOS管防倒灌。该方案损耗小、开关速度块、所占空间小,能满足大部分应用场合的需求。
在此题中选择较为简单的理想二极管防倒灌保护电路。
模块电路设计与分析
全桥整流电路模块
原理图

图3  全桥整流电路原理图
设计分析
采用理想整流桥控制器LT4320驱动四个NMOS实现整流,NMOS相对于二极管来说,损耗更低,可以降低功率耗散并增加可用电压,该芯片可以用于9-72V的系统,满足题目36V的要求。
Boost升压电路模块
原理图
图4  Boost升压电路原理图
测试分析
  自动升降压模块具有60V以上高输入工作电压值,可以承受80V脉冲电压,可以输出高电流,可达15A,最大电流输出为20A。输入输出电流可调,输入输出电压也可调,跟题目要求,输入24V电压,输出61V左右电压驱动下一模块。模块内部电路为四路N沟道MOS管,Buck-Boost结构为主要降压-升压结构。
SPWM逆变电路模块
逆变器电路模块由EG8010+IR2110正弦波逆变器(EG02)和EGP1000W 逆变器功率底板构成。通过改变PWM波的占空比改变输出交流电压值的大小。
正弦波逆变器(EG02)原理图
图5  驱动板原理图
EGP1000W 逆变器功率底板原理图

图6  功率底板原理图
设计分析
主要使用EG8010芯片来完成逆变模块的设计。EG8010是一款数字化的、功能完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片,此方案中采取单极性SPWM调制方式,完成DC-AC单级电压的转换,输出电压幅值的大小通过调节PWM的占空比来调节。EG8010的功率电源由升压模块输出的直流电提供,另外在驱动电源接口接入一组+12V的直流电源单独为驱动电路供电。过温保护电路主要由热敏电阻来控制,当温度过高时,热敏电阻阻值减小,电路导通,风扇开始散热,当温度恢复到较为正常的水平时,热敏电阻阻值恢复,风扇自动关闭。
发挥部分
过温保护
利用EG8010芯片内部的引脚测量逆变器的工作温度,通过热敏电阻控制过温保护电路,温度过高时启动风扇对电路进行降温,降至正常温度后风扇停止转动。
欠压保护
欠压保护模块:电位器可以调节欠压保护的阈值,当电压低于18v触发欠压,继电器断开,直流供电电路断路,电压死区的设置使得电压高于23.5v恢复方可供电
大电流
作品输出电流可以达到1.5A左右,此时输出电压仍为30V交流电。
测试与分析
测试方案
首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功,然后将分立的模块搭建在一起测试整体功能。经测试,隔离变压器、自耦变压器、全桥整流模块、升压模块、降压模块、SPWM逆变电路等模块均正常工作。
测试结果及分析
要求(1):交流供电时,测得U_1=36.102V,测得输出交流电流I_o=0.991A   测得输出交流电压U_o=30.043V,频率f=50.003Hz。
要求(2) :交流供电,U_1=36V,I_o在 0.1A~1.0A 范围变化,负载调整率S_I≤0.5%。
U_1=36.102V
I0/A        0.0987        0.991
U_o/V        30.087        30.043




S_I=|30.043-30.087|/█(30@@)=0.147%
要求(3):交流供电,I_o=1A,U_1在 29V~43V 范围内变化,电压调整率 S_U≤0.5%。
U_1/V        29.232        32.501        36.457        42.930
I_o/A        0.993        0.993        0.993        0.986
U_o/V        30.046        30.045        29.932        29.925
S_U=|29.925-30.046|/█(30@@)=0.403%
要求(4):在要求(1)条件下,不间断电源输出电压为正弦波,测得失真度 THD=0.60%。
要求(5):断开交流电源,即时切换至直流(储能器件侧)供电,提供U_d=23.994V,测得输出交流电流I_o=0.993A时,测得输出交流电压 U_o=30.132V,测得频率f=50.003Hz。
要求(6):直流供电,此时U_d=23.994V,I_d=1.431A测得U_o=30.132V,I_o=0.993A 此时,在线式不间断电源效率η=87.0%。

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