UPS不间断电源毕业设计方案.doc

摘 要
伴随计算机技术、网络技术、通信技术发展，国民经济、国防军工、政府部门各个领域要保障计算机信息网络系统安全、可靠运行，就离不开UPS不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业共识。
依据UPS不间断供电原理，本文以提升UPS可靠性为基础点，从UPS电源装置结构和形式来考虑其设计方案。整个UPS主电源装置由整流/充电器、逆变器、静态旁路、维修旁路等部分组成。整流/充电器(包含蓄电池)为UPS提供在线工作能量输入；逆变器为UPS提供在线工作高质量稳压稳频交流电输出；静态旁路为UPS在整流/充电器或逆变器故障情况下提供旁路工作电源，逆变器供电和静态旁路供电之间可实现不间断供电切换；维修旁路为UPS定时检修或故障维修时提供旁路电源。
基于电源技术高频化、模块化、数字化、绿色化发展方向，本文结合现代电力电子技术和信息处理技术最新发展，利用微机作为控制关键，研究和开发大功率(10kVA以上)在线式智能UPS不间断电源。

关键词： 不间断电源 微机控制 电力电子技术 智能化

ABSTRACT
With the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fields of the national economy, national defense and war industry, government ministries, they must depend on UPS (Uninterruptible Power System)
By the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The main power device is made up of rectifier, charger, inverter, static bypass, maintenance bypass. Rectifier and charger (including storage battery) offer the energy input of UPS when it is online. Inverter offers the CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency) AC output when UPS is online. Static bypass offers online bypass power supply when rectifier, charger, or inverter results in faults, and the switching between inverter and static bypass is not interruptible. Maintenance bypass offers bypass power supply when UPS needs repairing or Maintaining.
Based on the development trend of higher frequency, modularization, digitalization, and greenness for power technology, this paper is relevant to the recent development of modem power electronics technology and information processing technology, and has studied the above middle capacity (Above 10KVA) online intelligent UPS, using microprocessor as core control.

Keywords: UPS Control by microprocessor
Power Electronics Technology Intelligent

目 录
第一章 概述………………………………………………………………1
1.1 UPS发展…………………………………………………………1
1.1.1 UPS发展历程…………………………………………… 1
1.1.2 UPS发展前景…………………………………………… 3
1.2 本课题研究目标和意义……………………………………… 4
1.3 本课题任务和要求…………………………………………… 5
1.3.1 本课题任务………………………………………………5
1.3.2 本课题要求………………………………………………5
第二章 系统整体设计方案………………………………………………7
2.1 UPS电源不间断供电原理………………………………………7
2.1.1 负载间断供电原因………………………………………7
2.1.2 不间断供电原理…………………………………………7
2.2 系统整体设计原理框图………………………………………… 9
2.3 整流/充电器设计方案……………………………………………9
2.4 逆变器设计方案…………………………………………………10
2.5 旁路电源设计方案………………………………………………11
第三章 整流/充电器设计……………………………………………12
3.1 整流/充电器主回路设计……………………………………… 12
3.1.1 整流变压器设计……………………………………… 13
3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容设计……………… 14
3.1.3 主回路电路……………………………………………… 15
3.2 整流/充电器控制设计………………………………………… 16
3.2.1 微处理器和16位单片机………………………………… 16
3.2.2 整流/充电器微机控制系统……………………………18
3.2.3 整流/充电器控制软件设计……………………………23
第四章 逆变器设计………………………………………………… 24
4.1 PWM逆变器原理………………………………………………24
4.1.1 逆变电路及其控制方法…………………………………24
4.1.2 PWM逆变器基础原理及PWM波生成方法………… 26
4.2 UPS逆变器主回路设计…………………………………………29
4.2.1 PWM型三相桥式IGBT逆变电路………………………… 29
4.2.2 逆变器输出变压器和静态开关…………………………33
4.2.3 逆变器主回路电路………………………………………33
4.3 UPS逆变器控制电路设计………………………………………34
4.4 UPS逆变器控制软件设计………………………………………37
第五章 UPS旁路电源设计…………………………………………… 44
5.1 静态旁路基础原理………………………………………… 44
5.2 切换和控制技术……………………………………………… 44
5.3 UPS静态旁路主电路……………………………………………46
5.4 维修旁路……………………………………………………… 47
第六章 UPS系统抗干扰设计………………………………………… 48
6.1 干扰源………………………………………………………… 48
6.2 干扰对UPS电源影响…………………………………………48
6.3 EMC和抗干扰设计………………………………………………49
6.3.1 EMC介绍………………………………………………… 49
6.3.2 抗干扰方法……………………………………………50
6.3.3 UPS电源抗干扰方法…………………………………… 50
结论………………………………………………………………………53
致谢………………………………………………………………………55
参考文件……………………………………………………………… 56
附：大功率UPS供电系统原理框图及各部分设计方案图

第一章 概 述
自从电子设备尤其是计算机问世以来，电源问题一直是大家十分关心问题。对于部分特殊位置关键设备，大家不仅关心其供电电源本身性能指标，更重视供电电源质量，即供电稳定性和不间断性。因为这些设备电源一旦出现不稳定或消失，就将造成很大损失，甚至无可挽回损失。所幸是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)出现，为处理这个问题提供了宽广前景。
1.1 UPS发展
1.1.1 UPS发展历程
最初UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供给能量动态UPS，即不间断是靠动能维持。这种早期UPS输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应；不间断性是靠断电后飞轮惯性延长供电时间。当然这种UPS后备时间是很短(通常不超出5秒)，于是大家开始使用备用蓄电池组，这是早期UPS经典结构，框图图1-1所表示。这么UPS即使能够靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低，于是出现了内燃式UPS系统，这种UPS靠内燃机提供断电后能量。动态UPS设备庞大粗笨、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。
整流器
直流电动机
交流发电机
设备
蓄电池
市电

图1-1 早期UPS经典框图
伴随电力电子学(功率电子学)发展，为实现大功率电能转换，于是出现了静态UPS，它主电路和控制电路均采取半导体器件，它也是现在绝大多数概念中UPS，其经典框图图1-2所表示。其基础原理是：市电输入经整流器将交流电变成直流电，首先给蓄电池组充电，其次为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。

整流器
逆变器
转换开 关
负载
蓄电池 组
旁路电源
市电

图1-2 静态UPS经典框图
静态UPS工作方法有在线式和后备式(Online and Offline)，二者主体结构大致相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。通常来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式通常小于3KVA，而在线式不受此限制，现在单机容量能够做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等企业。
UPS装机容量正不停扩大，并联成为扩大容量或冗余系统肯定方法。比如M.G, EXIDE等企业UPS机内信号用微机处理、通讯采取一般信号，而SIEL企业采取光纤通讯〔OSC系统)，从而实现多台UPS同相同幅、均负载功效。
因为单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)UPS，其最大容量可达60KVA以上，这种单相输出UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应一相将严重超载，所以厂家推出了三相入三相出UPS产品，而且有三相负载100%不平衡产品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等企业UPS产品。
为改善后备式UPS供电质量，大家研制了净化UPS，立即净化电源加在旁路电源上，如国产宝合UPS产品。
结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高优点，大家提出了三端口UPS。它使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如APC、BEST、 DELTEC、休康等。
近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Battery System)，见图1-3所表示。它结合了动态UPS和静态UPS优点，只是噪声稍大，关键应用于特殊场所，如野外、地下室等环境恶劣场所。
柴油发电 机
蓄电池

UPS
OUT

图1-3 UPS经典框图
1.1.2 UPS发展前景
从以上UPS发展历程可看出，UPS从当初单一动态存放式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线交叉式等。随之，UPS应用领域也从当初单一计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在内能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯)等领域；后备时间从当初几秒钟到今天几小时、几十小时甚至更常时间；尤其是从技术内含意义上讲，从当初单一机械式到今天包罗了现代全部电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯和机电一体化技术。
伴随微电子技术和电力电子技术不停发展，电源技术高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。
电力电子功率器件高频化和模块化使得UPS电源产品体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提升，可带来显著节能、降耗可观经济效益。
微处理器软硬件引入，能够实现对UPS智能化管理，进行远程维护和远程诊疗。从而为UPS电源产品数字化、智能化提供了坚实基础。
伴随大家对环境保护意识加强，电源系统绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电能够降低发电对环境污染；其次是电源不能(或少)对电网产生污染。实际上很多功率电子节能设备往往是电网污染源：向电网注入严重谐波电流，使得总功率原因下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末多种有源滤波器和有源赔偿器方案诞生，有了功率因数校正PFC（Power Factor Corrector)方法，为二十一世纪UPS电源产品绿色化奠定了基础。
由此可看出，UPS已当之无魄成为现代高科技组员，而且正伴随电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术发展而不停发展。
1.2 本课题研究目标和意义
早期UPS产品因电子技术及相关技术、工艺水平等方面限制，备用时间短，智能性差，所以关键作为计算机备用电源，其它行业包含较少，所以普及率很低。不过，伴随微型计算机应用日益普及和信息处理技术不停发展，大家对供电质量要求越来越高。这是因为在微型计算机尤其是企、机关计算机网络运行期间供电中止，将会造成随机存放器中数据丢失和程序破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以填补损失。不仅如此，伴随国民经济发展，生产力水平提升各行各业很多关键设备对电源要求也是如此。于是高性能、高可靠性UPS越来越受到大家关注。从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输，从银行证券到商贸销售，从通讯行业直至以信息高速公路为代表新兴信息产业(IT)，无不用到UPS不间断电源。
而且，伴随电子技术发展，尤其是计算机技术及计算机网络技术发展，大家对UPS要求越来越高：不仅要求供电质量高，而且要求智能化，这也是科学技术发展肯定趋势。大家期望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网络技术等UPS相关技术应用于UPS不间断电源，使UPS电源供电系统变得越来越完善，对多种性质负载适应性更强，产品种类更齐全。
实际上，UPS经过近四十年发展至今，性能指标基础相同，不一样点在于功效上拓宽、创新及可靠性高低。PWM(脉宽调制)技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采取，从而降低了UPS可闻噪声，提升了效率和可靠性。尤其是自80年代以来，微处理器技术、计算机技术、网络工程迅猛发展，并引入UPS领域，大大拓宽了UPS功效。显示方法从数码显示到液晶显示，使得人机“对话”愈加方便。利用CPU强大处理功效，可做到自动诊疗、自动开关机、自动打印运行统计，起到监控、管理系统作用。伴随UPS在计算机网络中应用不停发展，UPS不再是单纯供电、仅仅保护服务器，而是强调以整个网络为保护对象。用户期望UPS保护对象不再是特定运算设备为主，而是让网络在电源出现异常时，仍然能够继续工作而不中止。所以，UPS监控防护软件是UPS新发展，这种软硬件新搭配有利于大幅度提升UPS功效，使其趋向人性化；同时大大拓宽了UPS在计算机及网络中应用。智能UPS就是在这种形势要求下发展起来。
所谓智能UPS就是将传统UPS经过和PC上位机相连硬件接口，结合特殊设计软件(称为监控软件)以提供电源和资料双重保护。所以监控软件是UPS智能化关键部分。现在UPS各大厂家全部将UPS监控软件作为产品竟争力一个关键筹码。
UPS不间断电源本身是集数字和模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体密集型电子产品。另外，伴随微处理器和计算机应用普及，将其引入UPS系统，研制智能UPS是UPS发展肯定趋势。
UPS发展，并由此推进和之相关技术发展，这也是我选择本课题初衷之一。
1.3 本课题任务和要求
1.3.1 本课题任务
本课题任务是研究设计出新一代微机控制可应用于网络20KVA智能UPS系统。
UPS主电源包含整流/充电器、逆变器、旁路电源(静态旁路电源和维修旁路电源)三大部分组成。
1.3.2 本课题要求
1. UPS输入设计要求:
(1)输入电压:380V10%(三相四线制)，频率50HZ15%；
(2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求；
(3)功率因>0.8.
2. UPS输出设计要求
(1)三相输出电压380V2%,输出频率500.5%，并在一定范围内可调（电压正负5%，频率正负2HZ)；
(2)输出功率大于额定功率（20KVA）；
(3)过载能力125%--150%；
(4)谐波失真度<7%。
3. 其它设计要求
(1)总效>0.75，总功率因数>0.8；
(2)软开启功效；
(3)逆变器和后备静态旁路锁相同时，二者切换时间100us；
(4)含有功效指示和故障报警功效；
(5)含有自保护功效；
(6)含有RS232通讯接口，可远程监控、管理；

第二章 系统整体设计方案
UPS不间断电源装置不间断供电含义就是指当交流输入电源（市电）发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能确保供电质量，使负载供电不受影响。实现此目标交流不间断UPS电源基础组成图2-1所表示:
整流器
逆变器
蓄电池
市电
负载

图2-1 UPS基础组成框图
在此基础组成电路中，当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池替换整流器，向逆变器提供直流输入从而确保负载供电不间断和质量。假如深入地扩展分析，要确保负载不间断供电和负载供电质量，就必需增强UPS电源装置可靠性，因为只有电源装置可靠性提升了，才能使负载供电不间断和质量得到充足确保，这就要从UPS电源装置结构和形式来考虑其设计方案。下面在分析不间断供电原理基础上，提出本课题整体设计方案。
2.1 UPS电源不间断供电原理
2.1.1 负载间断供电原因
造成负载间断供电原因有很多，概括起来，关键有:
1）交流输入电源（市电）忽然发生停电。造成这种忽然停电原因较多，如：用户发生故障或事故，造成电源跳闸；雷击造成短路而跳闸，或因为雷击引发输电线断裂；鸟害引发断裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。
2）交流输入电源发生瞬间停电。
3）电源装置发生故障而中止供电。
所以，处理负载不间断供电须从以上三方面关键原因入手。
2.1.2 不间断供电原理
从UPS基础组成原理图2-1可看出，
(1)在交流输入电源正常情况下，整流器首先为逆变器提供直流输入电压，同时其次向蓄电池充电，使蓄电池储存能量；一旦交流输入电压发生异常或断电、或整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动替换整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。当市电恢复正常或整流器故障排除后，恢复整流器供电，这么负载得到连续供电，不会产生间断供电现象。
(2)当逆变器发生故障时，很显著，图2-1所表示结构UPS就不能实现负载不间断供电。处理措施有两个：一是提供逆变器备用单元；二是提供静态旁路辅助电源。具体来说:
a.假如有逆变器冗余备用单元，当逆变器故障时，经过快速开关立即切换至备用单元，确保负载不间断供电，这时负载得到仍是稳压稳频交流电；b.假如有静态旁路辅助电源(或称静态旁路电源)，当逆变器故障时，经过静态开关快速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但确保了负载不间断供电。一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。
(3)假如市电交流输入不正常同时，逆变器又发生故障，这时要确保负载不间断供电，可采取现有逆变器备用单元，又有静态旁路电源设计方案。当交流输入恢复正常或逆变器故障排除，经过静态旁路电源向负载供电(假如市电输入正常话)；或经过逆变器向负载供电(假如逆变器故障排除话)。这种方案可确保负载供电不间断。
(4)电源装置依据实际情况需要定时检修，这时必需断开逆变器和静态旁路，但仍然要确保负载供电不间断，这时可采取增加维修旁路电源方案。当电源装置维修时，经过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此电源取自市电；一旦维修完成，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。
总而言之，不间断供电原理实质就是从电源装置组成结构上考虑怎样实现负载不间断供电:采取冗余结构或其它可靠性设计方案。
本课题依据1.3设计要求和技术指标，从不间断供电原理出发，提出下面整体设计方案。
2.2 系统整体设计原理框图
UPS不间断电源设计基础原理是将输入交流电整流转换为直流电，首先为备用蓄电池充电，其次再将其逆变转换为稳压稳频交流电。设计基础点有两个：一是UPS输出稳定性，即输出电压和频率全部必需保持稳定(在一定额定精度内)；二是UPS输出不间断性，即要能实现不间断供电。整个设计紧紧围绕这两个关键点进行：
(1)蓄电池(包含充电器)是电网断电或电网电压严重畸变时为负载供电能量起源；
(2)逆变器是UPS输出稳压稳频交流电关键组成，也是整个UPS关键，采取冗余备用单元也是为了确保负载供电不间断；
(3)旁路辅助电源(包含维修旁路电源和静态旁路电源)是为维修、检修UPS，或逆变器故障情况下实现不间断供电辅助电源。
依据以上所述，提出以下设计原理框图(图2-2)：
静态开关Ⅰ
静态开关Ⅱ
隔离
变压器
整流/
充电器
蓄电池
逆变器1
逆变器2

负载
维修旁路电源
静态旁路电源
市电
输入
辅助电源

图2-2 系统整体设计原理框图
下面以此原理框图从整流器/充电器、逆变器、旁路辅助电源三方面分析本设计方案。
2.3 整流/充电器设计方案
本设计中整流器和充电器合二为一，这关键是从功率大这个原因考虑。为实现大功率整流和充电需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采取三相全控桥式整流充电电路，从而大大提升了可靠性、降低了造价。控制电路采取16位INTEL96系列80C196单片机，控制简练、方便、可靠。
主回路电路示意图见图2-3所表示。
图2-3所表示，三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。微机(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同时、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。

图2-3 整流/充电器设计方案
2.4 逆变器设计方案
逆变器功率单元采取IGBT组成三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采取日本富士企业生产EXB841驱动芯片组成驱动电路；逆变控制系统设计采取冗余设计方案： 两套由INTEL企业生产16位微处理器80C196MC组成控制系统1#和控制系统2# (二者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。
图2-4所表示，逆变器输入来自整流/充电器直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统SPWM控制方法下产生SPWM脉冲波输出，再经特殊设计隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频正弦交流电输出。其中K2为快速晶闸管组成静态开关，是为实现负载不间断供电而设置转换开关。

图2-4 逆变器设计方案
2.5 旁路电源设计方案
旁路电源是UPS不间断电源不可缺乏部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间同时切换。因为快速继电器动作时间最少为几毫秒，不能满足不间断供电要求，而静态开关导通和关断时间仅为数十微秒，所以可实现负载不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时备用电源。旁路电源通常取自市电电网。
本UPS旁路系统设计方案图2-5所表示，图中只画出了一相电路示意图。

图2-5 UPS旁路电源设计方案
第三章 整流/充电器设计
整流/充电器在UPS交流不间断电源装置中作用关键有两个：一是将交流电整流为直流电，经滤波供给逆变器；二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。整流器电路形式有很多，经典整流电路有：三相或单相桥式不可控整流电路、三相或单相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路、带平衡电抗器12脉波整流电路等。
大功率UPS不间断电源整流/充电电路通常选择可控整流电路，这是基于整流器和充电器合为一体设计考虑。具体来说：
(1)通常期望逆变器能得到一个电压稳定电源。不过因为种种原因影响，比如市电电压改变频繁，有时低于380V(三相交流电输入)，甚至低达340V；有时高于380V，甚至高达420V等等，假如采取不可控整流电路，将使得整流器直流输出不能保持稳定。只有采取可控整流电路，同时采取必需负反馈步骤，自动地调整脉冲相位，才能确保整流器直流输出电压稳定。
(2)蓄电池充电电压必需能够调整。不可控整流电路不能提供蓄电池通常状态下浮充电压和过放电以后均充电压(均衡充电电压)两种不一样大小电压。所以采取可控整流电路比很好。
在可控整流电路中，经典应用电路是三相桥式全控整流电路。
3.1 整流/充电器主回路设计
本设计中整流/充电电路采取常见三相桥式全控整流电路。其电路基础原理这里不再具体说明。原理电路以下，图中KPl～6为晶闸管。

图3-1 三相桥式全控整流电路原理图
3.1.1 整流变压器设计
由前面所述可知，三相电网电压经空气开关和快速熔断器后，接在一星形/三角形接法变压器原边。此变压器属整流变压器，不一样于通常电力变压器。
1.整流变压器在此设计中作用
整流变压器在设计中作用有三：
(1)它可扩大整流电路中晶闸管控制角调整范围，提升调整性能。
(2)起隔离作用。它使整流电路和电网电源隔离开来，使它们之间不发生电直接联络，这么可减轻电网对整流/充电电路干扰和影响，同时也降低了整流/充电电路对电网上其它用电设备干扰。
(3)降压作用。整流变压器将电网电压变换成和负载相匹配电压，这有利于提升晶闸管整流器性能。通常清况下，整流器副边次级电压低于原边初级电压，所以这里整流变压器属降压变压器。它接线方法要和同时变压器接线相配合，以满足主回路电路和同时电压之间相位关系。
2.整流变压器在设计上和通常电力变压器区分
整流变压器在设计上不一样于通常电力变压器：
(1)接线方法上有严格要求。初级和次级绕组中要有一个接成三角形，通常以初级绕组接成三角形居多，这么可避免供电电压波形畸变；也可避免负载发生不平衡时出现中心点浮动。在三相四线制接法输入中，整流变压器只有接成星形/三角形。本设计中就属这种情况。
(2)要求含有较高绝缘强度。这是因为晶闸管整流电路发生过电压机会比较多。
(3)要求合适增大变压器导线截面积，这是因为晶闸管整流电路较易发生短路而产生过电流。
基于(2)(3)原因，使得整流变压器体积比相同容量电力变压器体积要大。
3.容量和变比设计
依据本设计中UPS功率(20KVA)整流变压器容量可选1.5倍UPS额定功率即30KVA，变比要依据蓄电池电压而定。
3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容设计
在图3-1中，P1、N1两端整流输出为脉动直流电压，在这种直流电压中还含有较多交流成份，它不利于逆变器工作和蓄电池充电，所以不能直接送往逆变器和为蓄电池充电，必需经过滤波。
1.滤波电抗器L
L作用可归结为以下三个方面：
(1)平波作用。整流电压里含有对逆变器和蓄电池不利交流成份，利用电抗器既能储存能量又能放出能量特点，在电路中接入电抗器L减小整流电压脉动程度，起到平波作用。
(2)续流作用。当整流器晶闸管控制角增大到一定值后，在某段时间内桥式整流电路中各元件均不导通，此时整流器输出电压为零，输出电压波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。这必将影响逆变器和蓄电池供电连续胜。假如接入了电抗器L，在这段时间内电抗器将经过续流二极管所提供通路，把它储存能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，确保输出电流连续性。
(3)限制短路电流上升率作用。当直流侧发生短路时，直流回路中电流将猛然增大，危及晶闸管和硅整流元件如整流二极管。利用电抗器上电流不能突变特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流上升率，从而起动保护整流器作用。
2.滤波电容C
电容C是大容量、高耐压滤波电解电容，起平滑滤波作用。
3.L和C选择
设计直流滤波器所用L和C大小依据整流/充电器容量合理计算，这里我们依据经验来取值。
L--考虑电感量大小和电流，选1mH/600A。
C--考虑大小和耐压值，选6800uF/450V两片。
3.1.3 主回路电路
总而言之，本整流/充电器主回路电路图3-2所表示。
在图3-2主回路电路中。图中各元件说明以下：

图3-2 整流/充电器主回路电路图
KK------空气开关;
ZB------整流变压器，接法为Y/△——11；
RD1-3------整流输入端保护熔断器；
RD4------整流输出端保护熔断器；
YR1-3------整流输入端压敏电阻保护；
YR4------整流输出端压敏电阻保护；
S1-6------整流器件：晶闸管SCR；
RI-6------晶闸管阻容吸收电阻；
Cl-6------晶闸管阻容吸收电容；
LEM------霍尔电流传感器；
L------滤波电感；
C7, C8------两个完全相同滤波电解电容；
BI------蓄电池组；
A------直流电流表；
V------直流电压表。
在图3-2中，整流器件晶闸管SCR参数应依据UPS容量和蓄电池端电压大小来选择。其阻容吸收电路电阻和电容可依据经验公式选择。
3.2 整流/充电器控制设计
设计好整流/充电器主回路电路后，深入工作就是设计控制电路。控制电路是整流充电器关键，因为不管是整流直流输出作为逆变器输入控制，还是给蓄电池充、放电控制，必需确保控制可靠、稳定、有序。所以对控制电路要求以下：
(1)晶闸管触发控制电路要输出和主回路电路相同时触发脉冲；
(2)能调整整流输出大小，以满足对蓄电池充电要求；
(3)确保整流输出稳定，以利于逆变器和蓄电池工作；
(4)整流器起动要平稳，所以要控制起动速度，限制起动电流；
(5)抑制过载电流，要有限流保护和过、欠压保护。
依据上述要求，并紧密联络目前中国外保护、控制领域发展形势，设计了以微机控制为关键整流/充电控制系统。
3.2.1 微处理器选择
现在市场上应用最为普遍是8位单片机，不过在部分比较复杂系统中，它就不得不让位和16位单片机。在本设计中我选择MCS-96系列单片机，它除了适适用于通常信号处理系统外，对于要求实时处理、实时控制各类自动控制系统如工业控制系统、随动系统、分布式控制系统、变频调速系统等和高级智能系统如高级智能仪器、高性能计算机外部设备控制器、办公自动化设备控制器等全部有其特有优势。它在下列多个方面显示出其优越性能和特点：
(1)CPU算术逻辑单元不采取常规累加器结构，改用寄存器--寄存器结构，CPU操作直接面向256字节甚至512字节寄存器，消除了通常CPU结构中累加器如51系列单片机等瓶颈效应，大大提升了操作速度和数据吞吐能力。
(2)256或512字节寄存器中除了前端少许专用寄存器外，其它字节均为通用寄存器。这么多数量通用寄存器就有可能为各中止服务程序中局部变量指定专门寄存器，免去了指定服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付软件开销，并大大方便了程序设计。
(3)指令系统实施愈加快、效率更高。能够对带符号数和不带符号数进行操作；还有符号扩展、数据规格化(用于浮点运算)等指令。另外，三操作数指令大大提升了指令效率。
(4)在8OC196KC及其以后芯片中，增加了一个外设事务服务器PTS,专门用于处理外设中止事务，它和一般中止服务过程相比，PTS服务大大降低了CPU软件开销。
(5)内部带有四路以上模/数转换器(A/D)，8OC196MC含有多达13路A/D，而且KB以后芯片转换位数8位和10位可选。A/D转换器集成于芯片内部，大大增强了信号采样电路抗干扰能力，提升了电路可靠性。
(6)含有高速输入口HSI和高速输出口HSO或比较/捕捉 COMPARE/CAPCOMP，它们对于处理和时间相关事件和一些特殊输出提供了极大方便。
当然，MCS-96 系列单片机含有通常单片机所含有全部外设装置：振荡器和时钟发生器、定时器计数器、标准输入/输出口、全双工异步或同时串行输入/输出口、监视定时器(Watchdog)、片选输出等。
由此可看出，MCS-96系列16位单片机含有更丰富软、硬件资源，含有更高性能，它更适适用于部分较复杂系统中。
基于以上原因，本课题中整流/充电器控制电路采取了以80C196KC单片机为主控微机控制系统。它关键由主控、测量和采集、脉冲输出和同时、信号输出和电源等部分组成。控制电路组成框图图3-3。
80C196单片机主控系统
小型开关电源模块
测 量
同 步
给 定
脉冲输出
保护出口
信号输出
+24V（Vp）
GND
-15V
+15V
VSS
+5V（VCC）
AC220V
或DC220V

图3-3 整流/充电器控制电路组成框图
3.2.2 整流/充电器微机控制系统
1.整流/充电器控制原理
在UPS不间断电源中整流器，除了供给逆变器直流输入外，还须完成对蓄电池常规充电、快速充电、浮充电功效。所以整流器输出是伴随UPS不间断电源工作状态改变而改变。下面具体说明怎样调整整流电路输出。
在图3-1中，在接上负载后整流输出大小为:
（3-1）
其中，为整流器输出直流电源平均值；
为整流变压器初级线电压；
为整流变压器次级相电压；
为晶闸管控制角，即晶闸管触发脉冲相位，是对应于触发脉冲出现时刻距自然换相点电角度，又称为延迟角。
从公式3-1可看出，调整晶闸管控制角即可调整整流输出。
整流器提供给逆变器直流输入必需是稳定，这么才能有利于逆变器正常工作，为此在设计中引入了电压负反馈并采取了PID控制算法。即经过电压传感器对整流输出电压进行取样，和期望值进行比较，依据差值进行PID控制，从而实现整流输出稳定。
2.主控电路设计
基于80C196单片机丰富内部资源，整流/充电器主控电路以80C196芯片为关键，只扩展了一片程序存贮器27C64,辅以地址锁存器74HC373，复位电路、参考电压电路及振荡电路。
程序存贮器片选信号直接取自80C196地址线AD15，地址范围为:H-3FFFH。
复