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【风采汇】+UPS 后备式不间断变频电源 (正弦波逆变)
阅读: 1630 |  回复: 24 楼层直达

2019/10/14 00:39:19
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qmx1998
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QQ截图20160321155901  【活动进行中……】礼遇感恩节!参与顶楼  免费送仪器

QQ截图20160321155901   【风采汇】参与有奖!获奖作品分享大赛



这次比赛是跟着一位大神组队的,获得过省一,最近有点事因此我会陆陆续续更新,关于UPS的资料我也会开源出来,又想要的小伙伴可以联系我哦。

首先介绍一下UPS

UPS 不间断电源是由电池组和其他电路组成,能在电网停电时提供交流电力的电源设备,不会因短暂停电而中断设备的供电,可以一直供应高品质电源,从而有效保护精密仪器。不间断电源现已广泛应用于:航天、工业、通讯、国防、医学院、计算机业务终端等领域。本题目通过 STC15F2K60S2 主控芯片产生 spwm 调制信号,利用单片机的高精度、高效率完成了常用 50hz 工频和 400hz 中频的正弦交流电能的产生,并且做到输出电压可调、频率可切换,同时加入了诸多关键参数的显示和对电源智能化的安全保护。输入加入了主动式功率因数校正器,提高了电源的利用率。前级采用了推挽拓扑,高效的为逆变后级提供稳定的直流电压。市电电瓶切换速度快,无明显间断现象。

UPS 种类多样,实现方法各不相同,系统复杂。本题目要求完成一台输出电压等级为 24v和 36v 正弦交流、输出频率为 50hz 和 400hz 且可切换的 UPS 后备式变频电源,50hz 和 400hz是工频和中频典型值,24v 和 36v 也是工业、军事常用电压等级。电瓶充电方法要求采用较为先进的慢脉冲充电法和 Reflex TM 充电法。同时还需要加入功率因数校正电路使功率因数达到 0.9 以上。经过一段时间的研究制作,已完成题目的大部分要求,较好的实现了设计要求。 

原理图

2019/10/16 11:40:33
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qmx1998
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      UPS 种类多样,实现方法各不相同,系统复杂。本题目要求完成一台输出电压等级为 24v和 36v 正弦交流、输出频率为 50hz 和 400hz 且可切换的 UPS 后备式变频电源,50hz 和 400hz是工频和中频典型值,24v 和 36v 也是工业、军事常用电压等级。电瓶充电方法要求采用较为先进的慢脉冲充电法和 Reflex TM 充电法。同时还需要加入功率因数校正电路使功率因数达到 0.9 以上。经过一段时间的研究制作,已完成题目的大部分要求,较好的实现了设计要求。

      本设计电瓶采用 12V 电动车铅酸蓄电池,终止放电电压为 10.8V。市电由工频变压器降压到 12VAC 后进行整流滤波,并送入到 BOOST 型主动式功率因数校正器(APFC)中,校正的同时得到 20VDC 的稳定直流电压。由此可知,能送入逆变器的电压为直流 10.8V-20V。题目要求输出 24V-36V 的交流电压,在不考虑直流损耗的情况下逆变需要的直流母线电压为34VDC-51VDC,因此前级需要一个升压的拓扑结构,将来自电瓶和市电的直流低压转化成稳定的直流高压。能实现这一功能的较为高效的拓扑结构有 BOOST 型和推挽型。 

       BOOST 型拓扑是一种非隔离式拓扑,效率较高,制作简单,适用于小功率应用场合。缺点是抗干扰能力差,异常时对负载损害较大。推挽型是隔离式拓扑,两个开关管轮流交替工作,相当于两个开关电源同时输出功率,其输出功率相当于两个单一开关电源的输出功率,因此,推挽式结构输出功率很大,效率很高,非常适用于低电压应用场合,在逆变电路中应用非常广泛。综合以上优点,本设计前级选择隔离推挽式拓扑结构。

2019/10/17 12:47:55
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川理学子[版主]
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营长
顶顶!!!!
2019/10/18 23:21:37
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qmx1998
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1 逆变信号 SPWM 波的产生有俩种
a.硬件生成法:
硬件生成法就是通过模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成 SPWM 波。但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。
b.软件算法生成:
由于微机技术的发展使得用软件生成 SPWM 波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,通过芯片自带的 PCA/PWM 模块或由系统定时器产生一系列宽度不等的脉冲来驱动逆变电路,也可以得到 SPWM 波。

由于题目中有大量的显示检测项目,因此不可避免的要用到单片机进行处理。综合题目要求和实际制作时的难易,本设计中选择软件法生成 SPWM 驱动信号。 

而全桥和半桥结构在逆变电路中都有很广泛的应用。半桥结构由两个开关管轮流交替导通,输出功率大,耐压高,效率高,比全桥结构简单,但是其自身电压利用率低,不适用于低电压应用场合。全桥结构工作时有两组功率管轮流导通,呈对角导通原则,输出功率高,损耗较小,效率高,开关器件耐压值特别低,选择余量较大。

2019/10/18 23:28:53
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qmx1998
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      功率因数(PF)指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。由于电源中大量的非线性器件,导致从市电中取得的电压电流波形有了相位差,而且电流波形产生畸变,不再是标准的正弦波。功率因数校正就是尽可能的减小电压电流相位差,并使电流波形正弦化。

      功率因数校正分为主动式和被动式。被动式结构简单,设计要求低,但是体积大,校正效果不理想,功率因数很难达到 0.8 以上。主动式 PFC 电路具有体积小,重量轻,通过专用IC 去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式 PFC 可以达到较高的功率因数──通常可达 98%以上,输入电压范围宽等优越的电气性能,但成本也相对较高。
        虽然主动式功率因数校正设计复杂,但是可以轻松实现题目要求的 0.9 的功率因数,并且可以改善电流畸变,自带 BOOST 稳压输出,在本设计中能体现很高的优越性。所以,综合题目要求和现实意义,选择校正效果更好的主动式功率因数校正方案。

2019/10/21 00:22:43
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qmx1998
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        UPS 中电瓶在市电正常时一直处于等待接入状态,在市电失压或过压时能立即接入逆变电路中继续为负载提供不间断的输出。而且切换时间尽可能短,无明显切换间断现象。这就要求一方面切换管理电路尽可能完善,要做到实时监控,另一方面处于等待状态的电瓶要保持满电状态,或在进行一个阶段的电瓶供电后,在市电恢复时能立刻高效的将电瓶充满。充电可供选择的方案有普通恒流充电法、分段式充电法和题目要求的满脉冲充电法。
2.42 方案选择
       普通充电法和普通分段式充电法都对蓄电池有极大的损害,如果充电方法不合理,将会引起蓄电池过充电、发热、失水,容易导致蓄电池失效。由电化学原理可知,蓄电池充电时普遍存在极化现象,如果能在充电过程中提供一个充电间歇期,将会使极化现象减轻,由此带来的蓄电池充电损害也大大减小。因此,本设计中采用满脉冲充电法,以提高电瓶寿命。 
2019/10/21 00:25:55
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qmx1998
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充电器的设计

UC3909 简介

       UC3909 是由美国 Unitrode 公司(现已被美国 Texas Instrument 收购)推出的一款蓄电池专用充电控制管理芯片(引脚定义见图 3.1a)。利用 UC3909 充电控制器,可以组成开关型铅酸电池快速充电器。该芯片中的平均电流型 PWM 控制电路,可产生充电状态逻辑电平。充电状态逻辑电平根据充电状态控制充电器的输出电压和电流。该芯片中的欠压封锁电路,保证加入足够的电源电压。此外该芯片中还含有差动电流取样放大器、精度为 1%的基准电压,-3.9mV/℃热敏电阻线性化电路、电压和电流误差放大器、PWM 振荡器、PWM 比较器、PWM 锁存器、充电状态译码器和一个 100mA 的集电极开路输出驱动器。 

       基于铅酸蓄电池的特性,基于 UC3909 的四阶段充电方式充电状态如图所示。 四阶段充电方式可以为其提供在不同状态时合适的充电电压和电流,将恒流充电快速安全地对蓄电池进行初始充电和恒压充电进一步对蓄电池充电有效地结合起来,从而使蓄电池的容量达到额定值,延长其寿命。
状态 1:涓流充电(T0-T1)
当蓄电池的电压低于终止电压即所设定的门槛电压 Vch 时,充电器将提供一个很小的充电电流 Itr 进行充电,这是为了防止把恒流充电时的大电流灌入损坏蓄电
池。对于正常的蓄电池,电池电压会逐渐上升,直到门槛电压 Vch,充电器将进入下一个阶段,恒流充电。当蓄电池的初始电压高于门槛电压 Vch 时,充电器将越过涓流充电状态而直接进入恒流充电。 
状态 2:恒流充电(T1-T2)
充电器提供一个恒定的充电电流 Ibulk 给蓄电池。在这个阶段,蓄电池的容量快速增加,直到蓄电池的电压上升到过压充电电压 Voc,蓄电池进入过压充电。
状态 3:过压充电(T2-T3)
在过压充电状态,充电器提供一个略高于蓄电池额定电压的恒定电压 Voc 给蓄电池,以使蓄电池能量最后达到饱和。这个阶段充电电流逐渐减小,直到 Ioct,表明蓄电池已被充满,
进入浮充状态。Ioct 的值可以设定,通常为 Ibulk/5。
状态 4:浮充充电(T3-)

充电器提供一个恒定的带有温度补偿的电压 Vf 给蓄电池,来维持蓄电池容量保持不变,同时会提供很小的浮充电流,弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。

2019/10/21 00:28:45
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qmx1998
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充电器设计 外围电路及元件计算公式

(1) 选择 RS1 、RS2 、RS3 和 RS4
基本计算公式如下:
V OC = V REF *(RS 1 + RS 2 + RS 3//RS 4)/(RS 3//RS 4)
V T = V REF *(RS 1 + RS 2 + RS 3//RS 4)/(RS 2 + RS 3//RS 4)
V F = V REF *(RS 1 + RS 2 + RS 3)/RS 3
R P = RS 3 // RS 4
电瓶的几个基本电压参数为:
VOC = 15V //浮充电压
V T = 10. 2V //涓流充电电压
V F = 14V //过充电压8 / 30
I TC = 40MA //涓流充电电流
IBULK = 2.0A //恒流充电电流
IOCT = 200MA //过充充电电流
计算得到的几个关键原件值:
RS 2 = 23. 7kΩ≈24kΩ RS 1 = 252kΩ
RS 3 = 54kΩ≈56kΩ RS 4 = 466kΩ≈470kΩ
(2) 选择 RG1 和 RG2
基本计算公式如下:
I TC = T TRCK*RG1 / 5*RS
I TRCK = 0.115V / RS
RG1 / RG2 = 1.852*I BULK*RS
计算得到的几个关键原件值:
RG1 = 2kΩ RG2 = 5. 4kΩ≈5. 6kΩ
b.原理图:

2019/10/21 00:30:45
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qmx1998
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充电器主电路由 UC3909结合外围电路组成,实现四段式智能充电。配合一个 8 位的STC15F104W/DIP8 封装的单片机,产生 3min/0.5min 的循环控制脉冲,时序为 3min 的使能低电平使充电器工作,0.5min 的关断高电平使充电暂停,在此间歇期使电瓶去极化,达到增加电瓶寿命,保护电瓶的目的。

2019/10/21 00:32:42
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qmx1998
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逆变器的前级设计

逆变器前级通过TL494设计的,TL494 是一种固定频率脉宽调制电路(见图 3.2a),它包含了开关电源控制所需的全部功能,广泛应用于桥式单端正激双管式、半、全桥式开关电源。其主要特征有:

1、集成了全部的脉宽调制电路。
2、片内置线性锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个
3、内置误差放大器。
4、内置 5V 参考基准电压源。
5、可调整死区时间。
6、内置功率晶体管可提供 500mA 的驱动能力。

7、推或拉两种输出方式。

2019/10/21 00:35:55
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qmx1998
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逆变器的前级电路参数及原理图

a.推挽结构变压器参数:
变压器骨架:EC42
磁芯材质:锰锌软磁铁氧体
初级:0.51mm 漆包线 5 股并绕 5T+5T,中间抽头,单极感量约 70uh
次级:0.8mm 漆包线单股 25T,感量约为 2mh
工艺:手工绕制,绝缘漆浸封
b.其它结构参数
推挽功率管:IRF3205 N 沟道 MOSFET,Ids-110A,Vds-55V,Vgs±20V
次级输出整流二极管: SR560,5A/60V,肖特基二极管
π型滤波器:滤波电容:100V/470UF*2PCS 高频电解电容
滤波电感:铁硅铝磁环 33*17*12 820UH/3A

2019/10/21 15:40:37
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lcq1995
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士兵
好帖子呀,顶一下。问一下哈,我现在也做逆变这块的,能不能详细介绍一下逆变输出侧接的LC电路,主要是电容,仿真我设置的150uf滤波效果较好,但实验中用的cbb61电容我网上查了一下容值在30uf一下,仿真中30uf滤波效果差。问一下这块你是咋做的。
2019/10/31 23:57:09
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qmx1998
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基本理论是根据这个计算的

2019/10/24 13:36:10
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yaoyong18207748450
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士兵
你好,请问能把你的工程文件原理图和PCB发给我一份学习吗?谢谢!我的邮箱yaoyongworks@163.com
2019/10/31 23:49:21
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qmx1998
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好的,马上发
2019/11/01 00:02:22
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qmx1998
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逆变器前级电路原理:

        来自电瓶或市电整流滤波后的直流电压,经由推挽变换器两个开关管的轮流导通变换,使初级两极线圈中产生方向相反的励磁电流,并在次级感应出高频交流电。输出经过四个肖特基高速二极管构成的全桥整流电路后,变为脉动直流电,再经由两个高频电解电容和一个磁环电感组成的π型滤波器,得到稳定的纹波系数很小的直流电压送入逆变后级使用。推挽变换器的两个开关管开关信号由 TL494 给出,输出形式为双端输出。利用 TL494 自带的两个误差放大器(见图 3.2b),构成两个闭环反馈,稳压环和限流环。限流环在额定的电流时不起作用,不能对稳压环造成干扰,只有当电流超过限定电流时才出面干预,减小占空比,降低输出电压,达到限流目的。

       稳压功能通过误差放大器一实现。误差放大器一反相输入端 2 脚接参考电压,参考电压由 14 脚自带的 5v 基准电压分压获得。正相输入端 1 脚电压由输出直流经电阻分压后获得,构成电压的闭环反馈,当反馈电压大于参考电压时,494 自动减小输出占空比,使输出电压减小;当反馈电压小于参考电压时,494 自动增大占空比,使输出电压增大。通过不断对占空比的调整,始终保持反馈电压与基准电压保持一致,这样就达到了稳压的目的。
         过流保护的原理与此类似,两个误差放大器的特性是完全相同的。误差放大器 2 的正相输入端 16 脚接芯片参考地,反相输入端 15 脚通过电阻分压后接系统地。当正常工作时,15脚的电位相对于 16 脚始终是正的,当电流超过设定的保护电流时,由于系统地在取样电阻上的压降而使其相对于芯片的参考地电位变为负,此时电流误差放大器开始起作用,减小输出占空比,降低输出电压,以使输出电流维持在限定电流以下。

           TL494 通过 5 脚、6 脚外接的 RC 电路起振,内部线性的锯齿波振荡器频率有外部的两个器件决定,近似的振荡频率公式为:

                                                                                  f=1.1/R*C

         本电路的工作频率约为 25Khz。13 脚的输出控制端接 5V 参考电压,使其输出为双端输出,两路输出互为反相,内部自带死区时间,也可通过对 4 脚死区时间控制端施加 0-3.3V 的电压来调整输出死区时间。4 脚通过 10uf 的电容和 10K 的电阻构成软起动,将输出占空比由 0 缓慢增加到最大,避免了对负载的冲击。 

2019/10/29 18:06:57
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菜鸟攻城狮
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士兵
楼主你好,请问能发一份资料吗?867496126@qq.com,感激不尽
2019/10/31 23:49:28
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qmx1998
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好的,马上发
2019/11/01 00:07:01
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qmx1998
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逆变后级设计中自举升压驱动电路及 IR2104 简介 

在全桥变换拓扑中,由于四个开关管的源极是不共地的,当低端管关断时,高端管的源极电位会被抬升到电源电压,此时如果给出和低端管相同的驱动信号,高端管将不能导通,导致电路不能正常工作。因此,需要用到自举升压驱动方案。IR2104是国际整流器公司(IR)推出的 一款自举升压驱动芯片,典型应用电路见图

2 脚 IN 为驱动信号输入脚,3 脚 SD 为芯片输出使能端,低电平有效。5 脚为低端信号输
出端,与 2 脚的输入信号反相,7 脚为高端信号输出端,与 2 脚的驱动信号相位相同。自举
电容和自举二极管是设计时电路中的关键原件,其合适的参数才能使电路正常工作。 

2019/11/02 19:14:04
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HL_ZXM
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排长

好贴!高手啊!

最近也要做类似这个的项目,请问UPS切换是时候是什么时候切换比较好?

网上看见有的是在市电过零点,也要在最高点的,

2019/11/02 23:43:40
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qmx1998
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我是在过零点切换的,系统属于较小型的
2019/11/03 00:29:47
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qmx1998
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后级逆变原理及原理图 

后级逆变电路结构采用全桥拓扑方案(见图 3.3c),由 4 只 IRF3205(见图 3.3)组成 H桥式结构,Q1、Q4 和 Q2、Q3 分别互为两组对角,工作时两组对角轮流导通。MOS 驱动芯片选用 IR2104 自举升压驱动方案,因为全桥结构的四只功率管不共地,高端开关管的源极会在同一侧桥臂的下管关断时电位被抬升至电源电压,如果直接驱动,上管将无法开启,逆变电路不能工作,因此需要选用自举升压电路来实现对高端功率管的开通。当下管导通时,电源 VCC 将通过二极管对电路中的自举电容 C9、C10 充电。下管关断后自举电容一侧电位被抬升,另一侧电位叠加 VCC 形成比电源电压更高的电压加在上管的栅极使上管导通。逆变过程中开关管的开通关断会产生大量的高次谐波,因此需要使用低通滤波器来滤除高次谐波。图中由 L2、C8 组成 LC低通滤波器,电感采用 33*16*11.5 的铁硅铝磁环加 0.8mm 漆包线绕制,电感量越为 3.3mh,电容采用 105 的 CBB 电容,LC 值经多次实验获得最佳参数,经此滤波器滤波后得到了纯净的正弦波。 

2019/11/03 00:31:05
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qmx1998
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SPWM 正弦脉宽调制信号的产生,使用由国内宏晶公司生产的 STC15W408AS 增强型 1T8
位 51 单片机,该芯片片上功能丰富,自带三路 PCA/PWM 模块,内部集成高精度 RC 时钟电
路,最高可达 33Mhz,自带硬件看门狗可防止逆变信号异常。电路原理见图 3.4c。
SPWM 正弦脉宽调制是靠芯片自带的 PCA/PWM 模块实现的,芯片自带 3 个捕获比较模
块,本题目中用到其中两路。调制方法为单极性正弦脉宽调制,基本原理为等效面积法(见
图 3.4b),即在一个正弦周期内用宽窄不等的方波来等效正弦波。利用这一思想,将单片机
的 PCA 模块通过配置相关寄存器配置为 PWM 输出,输出占空比呈周期性正弦规律变化,将
占空比数值通过计算制成正弦波表(见图 3.4a)存入芯片 ROM 中,在程序执行时以供调用,

现结合全桥结构和程序将实现原理作简单说明:

2019/11/03 00:32:10
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qmx1998
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PCA 模块中有一个特殊的 16 位寄存器,用来储存 PCA 计数器的初值,包括高 8 位寄存
器 CH 和低 8 位寄存器 CL。每个 PWM 模块都与该模块相关的捕获寄存器,用来储存捕获比
较的初值,同样包括高 8 位 CCPnH 和低八位 CCPnL(n=1、2、3),当捕获比较模块配置成 8
位 PWM 输出后,两种寄存器用到其中的低八位作比较功能,高八位的值在低八位溢出后自
动填充到低八位中,这样可以做到无干扰的刷新 PWM。当寄存器 CL 中的值小于寄存器
CCPnL 中的值时,相应管脚输出低电平,当寄存器 CL 中的值大于等于寄存器 CCPnL 中的值
时,相应管脚输出高电平。要想改变 PWM 的输出占空比,只需改变寄存器 CCPnL 中存放的
值即可,通过计算后得到相应的数值,对应的是按正弦规律变化的占空比输出,这样就得到
了一路 SPWM 调制信号。
PCA 模块的溢出频率决定了 SPWM 调制的载波频率,其实单片机产生 SPWM 不存在载
波,调制信号是通过数字的方法直接生成的。定时器的溢出率决定了基波的频率,也就是最
后得到的正弦波的频率,因为定时器的溢出率决定了一个 SPWM 周期内的的占空输出在多长
时间内执行完,但需要把握好定时器溢出率与 PCA 模块溢出率之间的整数倍关系,否则由于
在一个定时周期内无法执行完整的 SPWM 占空输出而使最后产生的正弦波形畸变。只要改变

定时器初值即可改变输出频率,很容易达到题目中的变频要求。 

2019/11/03 09:13:03
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HL_ZXM
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排长

看了受益匪浅啊!

你的输出稳压是如何调节的啊。

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