第三章 整流/充电器的设计
整流/充电器在UPS交流不间断电源装置中的作用主要有两个：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，典型整流电路有：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、带平衡电抗器的12脉波整流电路等。
大功率UPS不间断电源的整流/充电电路一般选用可控整流电路，这是基于整流器和充电器合为一体的设计考虑。具体来说：
(1)通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源。但是由于种种因素的影响，比如市电电压变化频繁，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，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定。只有采用可控整流电路，同时采用必要的负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的直流输出电压的稳定。
(2)蓄电池充电电压必须能够调节。不可控整流电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电以后的均充电压(均衡充电电压)两种不同大小的电压。因此采用可控整流电路比较好。
在可控整流电路中，典型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
本设计中的整流/充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路。其电路的基本原理这里不再详细说明。原理电路如下，图中KPl～6为二极管。
图3-1 三相桥式全控整流电路原理图
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3.1.1 整流变压器的设计
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/三角形接法的变压器的左边。此变压器属整流变压器，不同于一般的电力变压器。
1.整流变压器在此设计中的作用 整流变压器在设计中的作用有三：
(1)它可扩大整流电路中晶闸管控制角的调节范围，提高调节性能。 (2)起隔离作用。它使整流电路与电网电源隔离开来，使它们之间不发生电的直接联系，这样可减轻电网对整流/充电电路的干扰和影响，同时也减少了整流/充电电路对电网上其他用电设备的干扰。
(3)降压作用。整流变压器将电网电压变换成与负载相匹配的电压，这有助于提高晶闸管整流器的性能。一般清况下，整流器的副边次级电压低于原边初级电压，因此这里的整流变压器属降压变压器。它的接线方式要与同步变压器接线相配合，以满足主回路电路与同步电压之间的相位关系。
2.整流变压器在设计上与一般电力变压器的区别 整流变压器在设计上不同于一般的电力变压器：
(1)接线方式上有严格要求。初级和次级绕组中要有一个接成三角形，一般以初级绕组接成三角形的居多，这样可避免供电电压波形的畸变；也可避免负载发生不平衡时出现中心点浮动。在三相四线制接法的输入中，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)要求具有较高的绝缘强度。这是因为晶闸管整流电路发生过电压的机会比较多。
(3)要求适当增大变压器的导线截面积，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)的原因，使得整流变压器的体积比同等容量的电力变压器体积要大。
3.容量和变比设计
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根据本设计中UPS的功率(20KVA)整流变压器的容量可选1.5倍UPS额定功率即30KVA，变比要根据蓄电池的电压而定。
3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计
在图3-1中，P1、N1两端的整流输出为脉动的直流电压，在这种直流电压中还含有较多的交流成分，它不利于逆变器的工作和蓄电池的充电，所以不能直接送往逆变器和为蓄电池充电，必须经过滤波。
1.滤波电抗器L
L的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的交流成分，利用电抗器既能储存能量又能放出能量的特点，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。当整流器的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，输出电压的波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。这必将影响逆变器和蓄电池的供电连续性。如果接入了电抗器L，在这段时间内电抗器将通过续流二极管所提供的通路，把它储存的能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，保证输出电流的连续性。
(3)限制短路电流上升率的作用。当直流侧发生短路时，直流回路中的电流将猛然增大，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的特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率，从而起动保护整流器的作用。
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的选用
设计直流滤波器所用L和C的大小根据整流/充电器的容量合理计算，这里我们根据经验来取值。
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。
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3.1.3 主回路电路
综上所述，本整流/充电器的主回路电路如图3-2所示。 在图3-2主回路电路中。图中各元件说明如下：
图3-2 整流/充电器的主回路电路图
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------两个完全相同的滤波电解电容； 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的参数应根据UPS的容量和蓄电池的端电压大小来选取。其阻容吸收电路的电阻和电容可根据经验公式选取。
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3.2 整流/充电器控制设计
设计好整流/充电器的主回路电路后，进一步的工作就是设计控制电路。控制电路是整流充电器的核心，因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入的控制，还是给蓄电池充、放电的控制，必须保证控制可靠、稳定、有序。因此对控制电路的要求如下：
(1)晶闸管的触发控制电路要输出与主回路电路相同步的触发脉冲； (2)能调节整流输出大小，以满足对蓄电池充电的要求； (3)保证整流输出的稳定，以利于逆变器和蓄电池的工作； (4)整流器的起动要平稳，因而要控制起动速度，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。
根据上述要求，并紧密联系当前国内外保护、控制领域的发展形势，设计了以微机控制为核心的整流/充电控制系统。
3.2.1 微处理器的选择
现在市场上应用最为普遍的是8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位与16位单片机。在本设计中我选用MCS-96系列单片机，它除了适用于一般的信号处理系统外，对于要求实时处理、实时控制的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、变频调速系统等以及高级智能系统如高级智能仪器、高性能的计算机外部设备控制器、办公自动化设备控制器等都有其特有的优势。它在下列几个方面显示出其优越的性能和特点：
(1)CPU的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器--寄存器结构，CPU操作直接面向256字节甚至512字节的寄存器，消除了一般CPU结构中的累加器如51系列单片机等的瓶颈效应，大大提高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量专用寄存器外，其余字节均为通用寄存器。这样多数量的通用寄存器就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除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的软件开销，并大大方便了程序的设计。
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