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1、充电电路工作原理 蓄电池与逆变器对直流电源的要求不同:逆变器要求直流电源提供稳定电 压;蓄电池要求直流电源提供的电压能随着蓄电池的充电过程而变化。为了解 决蓄电池、逆变器对直流电源的不同要求,故 UPS 分别设置整流器及充电电路。 根据 UPS 容量大小、工作方式不同,充电电路可分为恒压充电、恒流充电、分 级充电等电路。介于充电电路在整个系统中的重要作用,我做了多方面的考虑, 最后决定采用高压快速充电电路。 在此所用的高压快速充电电路不但解决了UPS 内部蓄电池的快速充电问 题,而且解决了一般不能快充外接蓄电池的问题。 工作原理分析: 该电路适用于长备用时间、大容量蓄电池的充电。它由以下几个部
2、分组成: (1)加电电路 在不加交流输入电压时, 继电器 J2的中间触点 a2和 b2相连,如果这时开关 K 是闭合的,那么外加蓄电池电压就和UPS 内部蓄电池形成并联结构,此时控 制电路由于没有电源而不能工作。 当市电电压 220V 加到输入端时, 由于继电器 J1的触点处于断开状态, 因而 交流电压 220V 就不能加到变压器T1 上。当按下按钮N1时,J1被激励,触点 J1闭合。这时电流经限流电阻Rx加到变压器 T1 上,等到变压器初级绕组的电 压达到一定值时, J3被激励,触点闭合,将电阻Rx短路。在交流220V 加到输 入端的同时, J2被激励,继电器触点a2转接到 c2,于是电池组
3、电压UB 经 R2、 VD6加到控制电路上。 N2为按断开关,在未按下开关N2时其处于闭合状态将两 个单结晶体管振荡器的发射扳旁路,故振荡器不工作,电路处于静止等待状态。 加电电路中之所以加入了J3和 Rx环节,是因为一般电源变压器的匝间电容 使加电前沿的电流被旁路,磁通不能马上建立起来,形成很大的短路电流。如 未变压器容量再增加,这种启动瞬间短路电流就会更严重。因此,在加电前瞬 间用电阻 Rx限流,当变压器上电压升到一定值时,再将 Rx短路就可避免这种情 况的发生。 当按下开关 N1瞬间,由于有上述的过程, 最好不要马上供电。 在 N2被按下, 该开关处于断开状态,电容C5的充电能延缓振荡器
4、的起振,只有当C5 上电压 上;升到一定值时,振荡器才开始工作。 (2)振荡电路 Q1、R4、R5和 C2、T2,Q2、R9、R10、C3和 T3组成了两套单结晶体管振 荡器。之所以采用单结晶体管方案,是因为它电路简单而且能瞬时给出大的触 发功率,可直接驱动可控硅。 在需要给蓄电池组充电的情况下,单结晶体管振荡器呈连续振荡,其波形 图如下图 所示: 图 2 7 单结晶体管振荡器波形 Ue为发射极波形, eb1为第一基极b1的输出波形,其振荡周期可用下式表 示: 1 1 InT CR EE (2-2-10) 式中, T 为振荡周期( s) ,RE 为接在单结管发射极的电阻() ,这里是 R5和
5、R9,CE 为单结管射极的电容( F) ,这里是 C2和 C3,为单结管的分压比。 由基极变压器将控制脉冲加到主回路可控硅的控制极上。 单结管振荡器的发射极各与两个并联运算放大器的输出相连,因而它们的 工作状况受相应运算放大器的控制,振荡脉冲的有无与疏密随着相应运算放大 器的工作状态而改变。 (3)测量与控制电路 1)限流与恒流控制电路 蓄电池经过一定时间的放电进行再充电时,初始充电电流很大,所以要进 行限流,即在充电电流超过其规定值以前,将其恒定在规定的限流值上。 由图中可以看出,运放U1的 4 端和 6 端均接基准电压,即U1-4=U1-6,而 U1-5=U1-7的电压为两个电压之差,即
6、U1-5=U1-7=U1-5B=U1-5AU1-AB 在上面的式子中, U1-5A为 U1引脚 5 至 A 点电压, U5B为 U1引脚 5 至 B 点的电 压,U1-AB为充电期间,充电电流在导线BA 上形成的压降,其方向和原来不充 电时风上的电压极性相反。 U1-5 U1-4 运放 U1(LM339 )输出开路,不影响振荡器工作。一旦充电电流很大时, 则 U1-5=U1-5AU1-AB=U1-5AI 充 RAB 接近了 U1-4=U1-6值,运放进入放大状态,其输出就对两单结管发射极产生 了旁路作用, 从而降低了 C2及 C3的充电速度, 降低了脉冲频率, 延迟了对可控 硅的触发时间,调整
7、了导通角,达到了限流恒压充电的目的。 2)电压测量与控制电路 由图中可以看出,和运放Ul的两输出端 1、2 并联的还有 U2的两个运放输 出端 1、2,这就是电压的测控环节。在高压充电电路的电路设计中是这样规定 的:当充电电压在预设值以下时,运放的输入端电压 U2-4=U2-6U2-5和 U2-7 所以比较器 U;的这两个输出端是开路状态,两个振荡器都正常工作。 当充 电电压 UB达到第一限值时, U2的 6 端电平大于 7 端电平,则 1 端输出低电子, 振荡管 Q2的发射极被嵌位,于是由Q2构成的单给管振荡器停振,对应的可控 硅 VT2 截止,快充结束,只剩下浮充(实际上这时仍是快充,不过
8、其平均充电 电流减半)。当充电电平达到第二限值时,比较器U2的 U2-4U2-5,使该组件为 放大或开关状态,开始对第二只可控硅VT1进行相控,同时电压UB 就稳定在 这个电平上,电压变化小于0.1V。 4)冷却控制电路 这里采取的是强迫风冷。我们考虑到很多要求长备用时间的UPS 电源是昼 夜 24 小时开机的,但充电电路在大部分时间内都处于浮充状态,平时并不需要 让风机始终工作在强风冷却状态。为了延长风机的寿命,加入了冷却控制电路, 由比较器 U1的输入端 8、9 脚将信号引入,在电路进行全充电时,U1的输出端 14 脚为低电平,所以比较器 U2的输入电平 U2-8U2-9, 14 脚输出高
9、电平,经 VD14 去驱动 Q4,从而继电器J4被激励,其中心触点将风机FAN 接入 220V 全电压 电路,进行强风冷却。当蓄电池电平达到第一限值时,U1的 14 脚输出高电平, 则比较器 U2的 U2-8U2-9,其输出端14 脚输出低电平,使Q4截止,其中心触 点与降压输出相连接 ,于是风机 FAN 作降压运行,风力减弱,从而减轻了风机的 磨损,节省了电力,降低了噪声。 5)主回路 主充电回路主要包括两只可控硅和两只二极管整流器。为了提高触发效 率和进行隔离,采用了脉冲变压器隔离触发,在可控硅控制极的二极管是用来 对控制脉冲进行整形的。 6)用继电器输出,实现了充电时与逆变器的隔离。 充
10、电电路中各主要多数的计算 (1)交流指示 图中采用的 10mA15V 正向压降的发光二极管指示状态 k mA V R22 10 220 1 (2-2-11) wRIP2.2 2 1 (2-2-12) (2)Rx 根据不同变压器容量取不同值,在这里我们的参数是10kVA,16 块电池 (1216192V),浮充电压(设电池每单元浮充电压为2.25V,一个 12V 电池 由六个单元构成) U 浮( 225 X 6)X 16216V,熔断丝RD取 6A,则: 36 6 220 RD X I U R(2-2-13) 功率 PxIU6 * 2 201320W (2-2-14) 实际上,RX的使用只是一瞬
11、间的事情,甚至来不及发热,J3已将其旁路了。 为了保险起见,取10W 足够了。 (3)J1,J2和 J3均取绕组电压为 220V,触点电流为相应容量的继电器就 可以了。 (4)稳压管 DW8、 DW9的选取:使UDs UD 24V,电流取 10mA。其余各稳压管 均取 2CW54(2CW13)型 6V10mA 即可。 (5)单结管振荡器 图中单结管选用了500mw 的 BT33F,由表查得 在 065085 之间, 取 075,其振荡周期为 EEEE CRInCRT39.1 1 1 (2-2-15) 振荡周期较短可提高稳压精度,但不太显著;而较长其影响却非常显著, 取振荡频率为 IkHz 左右
12、就可以了。 若取 T1ms,则 3 3 10*719.0 39.1 10*1 39.1 T CR EE (2-2-16) 根据触发脉冲的宽度,取CE=01 F 就够了,故 kRE19.7 101.0 10719.0 6 3 (2-2-17) 取 82k。由于功率很小,取l4W 就可以了。以下的计算,如无特殊说明, 均取 14W。 (6)限流环节 因为基准电压为6V,即运放 U1的 4 脚与 6 脚电压为 6V,只要电位器 W1 可以将其 5 脚、7 脚电压调到 65V 即可,为此取通过R7、W1的电流为 lmA , 则 k mA V WR24 1 24 17 (2-2-18) 那么 1 17
13、W WR UP UA (2-2-19) 于是 k UA UP WRW6 24 6 24171(2-2-20) 取标称值 68k,则 R7=2468=172k0,取 18k。取 18k验算是否 UP 6V。因为 VU WR W U AP 6.624 8.24 8.6 17 1 (2-2-21) 所以满足要求。 (7)电压测控环节 此电路电压分两挡控制,第一档为电池开始冒泡电压,第二挡为每单元电 池达到 2.25V 电压。不同型号和不同厂家的电池其冒泡电压有所区别。对于开放 式半密封胶体电池来说,通过加电过程的观察,按实际情况定;而对密封电池, 每单元电压按 2V 计算。 设胶体电池在充电电压使每
14、个单元电压达到2.25V 时为第一限,这时的充 电电压为 UB=(225 * 6) * 16= 216V (2-2-22) 仍设电阻臂电流为lmA ,并设 M 点电压在 216V 充电电压时, UM6V,于 是 k mA V WR216 1 216 214 (2-2-23) k U U WRW B M 6 216 6 216 2142 (2-2-24) 取标称值68k,则 R14=2166=210k,为使取值和第二限值统一,考 虑给 W2以较大的调节范围,故取R14=210k。只要保证在第一限值216V 以 前 UM 6V,在 216V 以后 UM6V,在第二限值( 23 * 6)*16=22
15、0.8V 以前 UN6V,在 220.8V 以后 UN 6V 就可以了。为此,对上述两条分别作一个计 算,即只要保证将 W2=W3=6.8k全值投入后,在 216V 充电电压时, M 点分压 大于 6V 就可以了。第二种计算就不需要了,因为216V 时,UM6V,220.8V 时当然更大于6V 了。该计算是: VU WR W U BM 68 .6216 2108.6 8 .6 214 2 ?(2-2-25) 计算结果满足要求。因此,只需根据要求把电位器值适当调小就可以了。 (8)低压准备停机测量环节 当电池放电时,原来充入的电荷会慢慢消耗,当电池组端电压降到一定值 时,就应停止再放电, 否则将
16、会损害电池。 这里设每个单元电压低到175V(这 对多种电池都留有余量)时,R18上的电压UR18 6V,使比较器U2的输出 端 13 给出低电位,低压警告指示灯亮。 同样设在每个单元电压为1.75V 时,电阻臂 R17、R18流过 1mA 电流,则: k mA V RR168 1 16675.1 1817 (2-2-26) kRRR6 168 6 181718 取 6.2k (2-2-27) kRRRR8.161 18181717 取 168k (2-2-28) 那么 VU RR R U BR 97.7216 168 2.6 1817 18 8 ?(2-2-29) 也即电阻 R18取大了,但
17、 R17和 R18邻近的标称电阻又相差太大, 最好取 62k 的电位器更灵活一些。 (9)电解电容的取值 电路中的电解电容都是作平滑之用的。C1和 C6是作平滑辅助电源之用,它 的作用是在充电脉动电压期间,使辅助电压波动不要超过额定值的5。电容的 充电规律为 t Bct UU1(2-2-30) 式中 t 为充电脉冲持续时间。在这里作一级近似,即设原来C 上的直流电压是 不变的,只在充电半波高出电池电压的部分电容上电压才变动,则Uct即为变动 电压,而 UB为充电电压脉动高出电池电压部分的峰值。而在此的交流峰值电压 VVUM2381682 而电 池标称值电压为12VX16=192V ,Um高出
18、电池标称值电压46V ,即 UB=46V,则: 612 CCR(2-2-31) R2为降压电阻,控制电路的等效电阻为1k,消耗电流 30mA 左右,也即 k mA VV R6. 5 30 24192 2 (2-2-32) 式中 24V 为辅助电源电压, R2上功耗为 P2=30mA 60V1.8W,所以 R2 取 6k4W 电阻。一般这样估算,即当电池电压在最低值(168V)时,开始 充电,在高出 168V 的时间就是 t,如下图所示 : 图 28 充电时间图 根据正弦波定义,电压瞬时值 sinsin MM UtUe(2-2-33) 那么 36 238 168 sinsin 11 M U e
19、(2-2-34) 36180 10xms (2-2-35) 于是 msx236 180 10 (2-2-36) msxt6410210(2-2-37) 而实际上,当电池组停止放电后,电压又回升很多,所以t6ms,为将电 容量取得足够大,假设时间长一些,暂取5ms。 此时电容上的最大波动值电压Uct=24V5%=1.2V 。因此电容 C 的容量为 : F In U Uct InR t C B 101 46 2.1 1102 105 1 3 3 2 (2-2-38) 为了留有余量, C1和 C6均取 100F/35V。 C4的作用是平滑充电电流脉冲在测量线电阻RAB上造成的脉动 ,运放 U1 输入端 5 的电压是两个电压之差 ,即由辅助电源在5 端的分压和充电电流在测量 线 AB 电阻上造成的平均压降之差,这个电压只有几百mV。C4的算法同 C1和 C6,这里取 100F。 C7C8的作用是平滑脉动充电电压的,计算的原则同上。
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