单相在线式不间断电源.pdf-资料库

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2020 年全国大学生电子设计竞赛单相在线式不间断电路（B 题） 2020 年 10 月 13 日

单相在线式不间断电路摘要：本题的要求是本文是关于设计一款输出 30V 交流单相在线式不间断电源。本系统采用 STM32F103 开发板作为控制中心，与变压器、升降压模块、转换模块、保护模块、采集反馈模块相互配合。采用交-直-交的变频方案，主要通过变压器、升降压模块实现 UPS 不间断电源为设备提供高功率可调电压，并且显示各个部分的实际电压，便于控制和维修。采用 STM32 程序产生可调的 SPWM，来控制逆变电流的输出，并且可以在根据采集检测数据的结果来进行电压的调整，使电压可以在一定范围内实现可调。关键字：STM32F103;交-直-交;整流全桥;逆变全桥

目录一、引言 ..................................................................... 1 二、设计方案 ................................................................. 1 2.1 系统功能分析 .................................................................................................................... 1 2.2 系统方案设计 ................................................................................................................... 1 2.2.1 变频方案 .................................................................................................................. 1 2.2.2 转换电路方案 .......................................................................................................... 2 2.2.3 保护电路方案 .......................................................................................................... 2 三、理论分析与计算 ........................................................... 2 3.1 变压数据 ..................................................................................................................... 2 3.2 全桥整流数据 ............................................................................................................. 3 3.3SPWM 数据 ................................................................................................................. 3 四、电路设计与程序 ........................................................... 3 4.1 硬件电路设计 ................................................................................................................... 3 4.1.1 隔离变压电路与整流滤波电路 .............................................................................. 3 4.1.2 降压电路 .................................................................................................................. 4 4.1.3 转换电路 .................................................................................................................. 4 4.1.4 升压电压 .................................................................................................................. 5 4.1.5 驱动及全桥逆变电路 .............................................................................................. 5 4.1.6 保护电路 .................................................................................................................. 6 4.2 软件设计流程图 ............................................................................................................... 6 五、系统测试 ................................................................. 6 5.1 测试仪器及测试方法 ....................................................................................................... 6 5.1.1 要求（1）测试 ....................................................................................................... 6 5.1.2 要求（2）测试 ....................................................................................................... 7 5.1.3 要求（3）测试 ....................................................................................................... 7 5.1.4 要求（4）测试 ....................................................................................................... 8 5.2 测试过程及结果分析 ....................................................................................................... 8 六、结论 ..................................................................... 8 参考文献： ................................................................... 9

一、引言 UPS 是一种储能装备，可以连续不断地向一些用户的关键设备( 铁路和民航的售票系统、互联网数据中心、医院的生命维护设备、银行的清算中心等)提供频率稳定、精度高、失真度小的高质量正弦波电源。传统的逆变电源多为模拟控制，虽然模拟控制技术已经非常成熟，但模拟电路存在电路复杂，体积庞大，不够灵活，一致性差，不便于调试，产品升级困难等缺点。数字控制已成为新型 UPS 控制技术发展的主流，即使其具有高精度，抗干扰能力强，切换快速，易于实现对于 UPS 的检测，故障诊断和隔离等优良的性能。二、设计方案 2.1 系统功能分析本设计主要通过变压器、升降压模块实现 UPS 不间断电源为设备提供高功率可调电压，并且显示各个部分的实际电压，便于控制和维修。 2.2 系统方案设计在此设计中，我们通过对市电的整流和逆变、升压和降压等模块为主的控制，来实现不间断电源的及时输出目标电源，且在输入变化的同时，我们能够确保输入稳定，在输入稳定的时候，电流可调。所以，我们主要考虑变频方案、转换电路、保护电路这几个模块考虑，分别制定如下方案： 2.2.1 变频方案主要在能够确定我们在交-交和交-直-交两种方案。方案一：由于输入输出的电均是交流电，所以首先考虑到，直接转变的可能会省去很多步骤，但可调节范围比较窄，且交流的升降压，市电和储能元件之间的选择，难以比较和选择，实现难度较大。 AC AC 调压图 1 交-交变频方案二：交-直-交虽说多了一个中间环节，但变成直流后，我们变压实现 36V 1

左右输入值的要求。选择输出路径，对直流电进行升压，从而达到目标值输出，且在采集检测、反馈等功能我们对于直流、交流更好选择和控制。 AC 整流 DC AC 逆变调压图 2 交-直-交变频综上所述，我们最终选择交-直-交变频方案。 2.2.2 转换电路方案方案一：使用二极管，利用其单相导通性，在市电正常供应的情况下使用市电，储能元件通过二极管来给其供电，使设备能够正常使用。方案论证：经过仿真实验（如图所示），我们将市电整流降压至 23.5V，用开关模拟市电的关断与否，如果市电断开，二极管就达到导通条件，由储能元件供电，经过仿真测试，市电输出是 23.5V，储能元件输出为 23.6V。方案二：使用三极管作为换向的开关器件，用于市电和储能元件之间的转换。论证方案：经过仿真图和实物图的测试，发现经过场效应晶体管储能元件供的电压，会有 1.8V 的损耗。 2.2.3 保护电路方案电子电路很容易在过压、过流、浪涌等情况发生的时候损坏，随着技术的发展，电子电路的产品日益多样化和复杂化，而电路保护则变得尤为重要。三、理论分析与计算 3.1 变压数据在自耦变压器中，我们利用电压的匝数比来确定电压变化的程度，电压、电流和匝数的关系和变压器，如下： U1/U2=W1/W2=I2/I1=K（匝数比）而我们所需要的电压值是 29~43V 的输入交流值，所以：当 U1=29V 时，U1/U2=220V/29V,K=7.58; U1=43V 时，U1/U2=220V/43V,K=5.11; 由于，我们使用的变压器，在选择匝数的时候，我们对应的变压后的电压的值都会标有。以，我们直接旋转到对应输出目标电压即可。 2

3.2 全桥整流数据由整流桥的输出的额定电压约 1.141 x U 输入，由于，题目要求我们要输入的的电压为 29~43V（包括 36V）。对应的，我们在这里经过 KBPC3510 后，输出的电压约为 40V~60V。又由于我们后面是用来二极管来进行环路的判断与控制，所以我们使用降压模块将直流电降到 24V。 3.3SPWM 数据由于自然采样法，按照 SPWM 波控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关电器的通断，不好控制，所以，使用 stm32 单片机通过程序来产生 SPWM 波来产生等高不等宽的矩形波，进而控制逆变电路产生数据的反馈和调整。四、电路设计与程序 4.1 硬件电路设计我们选择了将 220V 经过自耦变压器和隔离变压器变成题目要求的 29V~43V。范围内，降压的同时确保安全。经全桥整流，将其整流为直流，因整流后电压较高，采用降压电路来实现将直流电压变成 24V 的恒定电压。在市电变成 24V 和储能器件 24V 之间加一个转换电路。在市电正常供应时，正常使用，在市电断开时及时的切换成储能元件。最后，使用升压电路和逆变电路变成目标电压 30V 的交流电压。稳压电源市电交流降压整流滤波直流降压直流升压逆变负载辅助电源按键 STM32 电流、电压检测显示图 3 整体流程图 4.1.1 隔离变压电路与整流滤波电路输入市电 AC220V 的，使用现有的隔离变压器将市电和后续器件隔离开来， 3

不会因为我们的后续操作影响电网，所以起到隔离保护的作用，后面使用自耦变压器，使用线圈可调，来实现后续的调的我们所需要的交流电 AC29V~43V。对于后面的整流桥，使用现成的集成整流桥 KBPC3510，集成电路操作简单且效果稳定，效率较高。结合实验室的器材，逆变使用以 IR2110 芯片为驱动电路，IRF640 为开关器件的全桥的电路。图 4 隔离自耦变压器图 5 整流滤波电路 4.1.2 降压电路 LM2596HVDC-DC 可调降压电源模块,，输入输出均用 63V 电容，输入带（SW- 对高电平关断）使能端子，方便外接控制。输入电压范围：5V-60V（连续最高 55V 以下）。输出电压范围：1.25V-26V(连续可调输出固定输出 1.25V-26V 之间任意选择。输出电流：额定电流 2A，最大 3A。转换效率最高 92%。综上，符合题目要求且效率比较高，便于操作，成本不高。 4.1.3 转换电路图 6 降压模块利用二极管做转换的控制开关，其电路简单，可操作性较强，且二极管的压降较小，效率较高。二极管压降为理论 0.4V 左右，实际测量就是 1.08V。我们是将市电变成了 DC24V 的直流电。在市电正常供电，二极管处于关闭状态。但市电 4

中断供电时，二极管两端存在电压差，导致二极管导通，由储能元件经二极管向外供电。 4.1.4 升压电压图 7 转换电路采用 BOOST（非隔离升压模块）在输入为 4~34V，输出可以达到 4~60V。且在输入电压在改变的时候，输出的电压可以几乎保持不变。此处在升压后，就可以达到题目要求电压，供后续使用。 4.1.5 驱动及全桥逆变电路图 8 升压电路经过以 IR2100 芯片为基础的驱动电路，一个驱动电路，为全桥的中一个臂的两个 power MOSFETs 提供能量。在驱动电路的输入端提供 10~20V 的电压为驱动电路功能，由单片机产生的 SPWM 波，来控制逆变电路的 MOSFET 的关断与否，从而产生可控的目标电压。其中适当添加二极管和电阻，对电路起到限流保护的作用，确保电路的效果稳定。 5

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