充電電路工作原理

蓄電池與逆變器對(duì)直流電源的要求不同：逆變器要求直流電源提供穩(wěn)定電

壓；蓄電池要求直流電源提供的電壓能隨著蓄電池的充電過程而變化。為了解

決蓄電池、逆變器對(duì)直流電源的不同要求，故UPS分別設(shè)置整流器及充電電路。

根據(jù)UPS容量大小、工作方式不同，充電電路可分為恒壓充電、恒流充電、分

級(jí)充電等電路。介于充電電路在整個(gè)系統(tǒng)中的重要作用，我做了多方面的考慮,

最后決定采用高壓快速充電電路。

在此所用的高壓快速充電電路不但解決了UPS內(nèi)部蓄電池的快速充電問

題，而且解決了一般不能快充外接蓄電池的問題。

工作原理分析：

該電路適用于長(zhǎng)備用時(shí)間、大容量蓄電池的充電。它由以下幾個(gè)部分組成：

(1)加電電路

在不加交流輸入電壓時(shí)，繼電器J2的中間觸點(diǎn)a2和b2相連，如果這時(shí)開關(guān)

K是閉合的，那么外加蓄電池電壓就和UPS內(nèi)部蓄電池形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此時(shí)控

制電路由于沒有電源而不能工作。

當(dāng)市電電壓220V加到輸入端時(shí)，由于繼電器」的觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，因而

交流電壓220V就不能加到變壓器T1上。當(dāng)按下按鈕Ni時(shí)，J被激勵(lì)，觸點(diǎn)

J閉合。這時(shí)電流經(jīng)限流電阻R、加到變壓器T1上，等到變壓器初級(jí)繞組的電

壓達(dá)到一定值時(shí)，力被激勵(lì)，觸點(diǎn)閉合，將電阻R、短路。在交流220V加到輸

入端的同時(shí)，J2被激勵(lì),繼電器觸點(diǎn)a2轉(zhuǎn)接到ci,于是電池組電壓UB經(jīng)R2、

VD6加到控制電路上。N2為按斷開關(guān)，在未按下開關(guān)Nz時(shí)其處于閉合狀態(tài)將兩

個(gè)單結(jié)晶體管振蕩器的發(fā)射扳旁路，故振蕩器不工作，電路處于靜止等待狀態(tài)。

加電電路中之所以加入了北和&環(huán)節(jié)，是因?yàn)橐话汶娫醋儔浩鞯脑验g電容

使加電前沿的電流被旁路，磁通不能馬上建立起來，形成很大的短路電流。如

未變壓器容量再增加，這種啟動(dòng)瞬間短路電流就會(huì)更嚴(yán)重。因此，在加電前瞬

間用電阻R、限流，當(dāng)變壓器上電壓升到一定值時(shí)，再將R、短路就可避免這種情

況的發(fā)生。

當(dāng)按下開關(guān)Ni瞬間，由于有上述的過程，最好不要馬上供電。在N2被按下,

該開關(guān)處于斷開狀態(tài)，電容Cs的充電能延緩振蕩器的起振，只有當(dāng)C5上電壓

上；升到一定值時(shí)，振蕩器才開始工作。

(2)振蕩電路

Qi、R4、R5和C2、T2,Q2、R9、RIO、C3和T3組成了兩套單結(jié)晶體管振

蕩器。之所以采用單結(jié)晶體管方案，是因?yàn)樗娐泛?jiǎn)單而且能瞬時(shí)給出大的觸

發(fā)功率，可直接驅(qū)動(dòng)可控硅。

在需要給蓄電池組充電的情況下，單結(jié)晶體管振蕩器呈連續(xù)振蕩，其波形

圖如下圖

所示:

圖2.7單結(jié)晶體管振蕩器波形

5為發(fā)射極波形，ebi為第一基極歷的輸出波形，其振蕩周期可用下式表

示：

八HC哈(2-2-10)

式中，T為振蕩周期（s）,RE為接在單結(jié)管發(fā)射極的電阻（Q）,這里是Rs和

R9,CE為單結(jié)管射極的電容（F）,這里是C2和C3,n為單結(jié)管的分壓比。

由基極變壓器將控制脈沖加到主回路可控硅的控制極上。

單結(jié)管振蕩器的發(fā)射極各與兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)算放大器的輸出相連，因而它們的

工作狀況受相應(yīng)運(yùn)算放大器的控制，振蕩脈沖的有無與疏密隨著相應(yīng)運(yùn)算放大

器的工作狀態(tài)而改變。

（3）測(cè)量與控制電路

1）限流與恒流控制電路

蓄電池經(jīng)過一定時(shí)間的放電進(jìn)行再充電時(shí)，初始充電電流很大，所以要進(jìn)

行限流，即在充電電流超過其規(guī)定值以前，將其恒定在規(guī)定的限流值上。

由圖中可以看出，運(yùn)放Ui的4端和6端均接基準(zhǔn)電壓，即U1-4=UI.6.而

U|.5=U1.7的電壓為兩個(gè)電壓之差，即

UI-5=U|-7=U1.5B=UI-5A—UI-AB

在上面的式子中，為U|引腳5至A點(diǎn)電壓，U5B為Ui引腳5至B點(diǎn)的電

壓，U-B為充電期間，充電電流在導(dǎo)線BA上形成的壓降，其方向和原來不充

電時(shí)風(fēng)上的電壓極性相反。

U1.5>U1.4

運(yùn)放口（LM339）輸出開路，不影響振蕩器工作。一旦充電電流很大時(shí)，

則

U1.5=U1-5A—U1.AB=U1.5A-I充RAB

接近了Ul=U1.6值，運(yùn)放進(jìn)入放大狀態(tài)，其輸出就對(duì)兩單結(jié)管發(fā)射極產(chǎn)生

了旁路作用，從而降低了C2及C3的充電速度，降低了脈沖頻率，延遲了對(duì)可控

硅的觸發(fā)時(shí)間，調(diào)整了導(dǎo)通角，達(dá)到了限流恒壓充電的目的。

2）電壓測(cè)量與控制電路

由圖中可以看出，和運(yùn)放Ui的兩輸出端1、2并聯(lián)的還有U2的兩個(gè)運(yùn)放輸

出端1、2,這就是電壓的測(cè)控環(huán)節(jié)。在高壓充電電路的電路設(shè)計(jì)中是這樣規(guī)定

的：當(dāng)充電電壓在預(yù)設(shè)值以下時(shí)，運(yùn)放的輸入端電壓

U2.4=U2.6〈U2-5和U2-7

所以比較器U；的這兩個(gè)輸出端是開路狀態(tài)，兩個(gè)振蕩器都正常工作。當(dāng)充

電電壓UB達(dá)到第一限值時(shí)，U2的6端電平大于7端電平，貝IJ1端輸出低電子，

振蕩管Q2的發(fā)射極被嵌位，于是由Q2構(gòu)成的單給管振蕩器停振，對(duì)應(yīng)的可控

硅VT2截止，快充結(jié)束，只剩下浮充（實(shí)際上這時(shí)仍是快充，不過其平均充電

電流減半）。當(dāng)充電電平達(dá)到第二限值時(shí)，比較器U2的U2.4，U2.5,使該組件為

放大或開關(guān)狀態(tài)，開始對(duì)第二只可控硅VT］進(jìn)行相控，同時(shí)電壓UB就穩(wěn)定在

這個(gè)電平上，電壓變化小于0.1V。

4）冷卻控制電路

這里采取的是強(qiáng)迫風(fēng)冷。我們考慮到很多要求長(zhǎng)備用時(shí)間的UPS電源是晝

夜24小時(shí)開機(jī)的，但充電電路在大部分時(shí)間內(nèi)都處于浮充狀態(tài)，平時(shí)并不需要

讓風(fēng)機(jī)始終工作在強(qiáng)風(fēng)冷卻狀態(tài)。為了延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的壽命，加入了冷卻控制電路,

由比較器Ui的輸入端8、9腳將信號(hào)引入，在電路進(jìn)行全充電時(shí)，Ui的輸出端

14腳為低電平,所以比較器U2的輸入電平U2.8VU2.9,14腳輸出高電平,經(jīng)VDU

去驅(qū)動(dòng)Q4，從而繼電器L被激勵(lì)，其中心觸點(diǎn)將風(fēng)機(jī)FAN接入220V全電壓

電路，進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)冷卻。當(dāng)蓄電池電平達(dá)到第一限值時(shí)，3的14腳輸出高電平，

則比較器U2的U2.8>U2.9,其輸出端14腳輸出低電平，使Q4截止，其中心觸

點(diǎn)與降壓輸出相連接，于是風(fēng)機(jī)FAN作降壓運(yùn)行，風(fēng)力減弱，從而減輕了風(fēng)機(jī)的

磨損,節(jié)省了電力，降低了噪聲。

5）主回路

主充電回路主要包括兩只可控硅和兩只二極管整流器。為了提高觸發(fā)效

率和進(jìn)行隔離，采用了脈沖變壓器隔離觸發(fā)，在可控硅控制極的二極管是用來

對(duì)控制脈沖進(jìn)行整形的。

6)用繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)了充電時(shí)與逆變器的隔離。

充電電路中各主要多數(shù)的計(jì)算

(1)交流指示

圖中采用的10mA/I.5V正向壓降的發(fā)光二極管指示狀態(tài)

220V

(2-2-11)

10〃滔

f]=I2R=2.2w

(2-2-12)

(2)Rx

根據(jù)不同變壓器容量取不同值，在這里我們的參數(shù)是H)kVA,16塊電池

(12X16=192V)，浮充電壓(設(shè)電池每單元浮充電壓為2.25V,一個(gè)12V電池

由六個(gè)單元構(gòu)成)11浮=(2.25X6)X16=216V,熔斷絲RD取6A,貝1J:

U220

二36。(2-2-13)

1RD6

功率

PX=IU=6*220=1320W(2-2-14)

實(shí)際上，Rx的使用只是一瞬間的事情，甚至來不及發(fā)熱，J3已將其旁路了。

為了保險(xiǎn)起見，取10W足夠了。

(3)Ji,比和人均取繞組電壓為220V,觸點(diǎn)電流為相應(yīng)容量的繼電器就

可以了。

(4)穩(wěn)壓管

DW8>DW9的選?。菏筓DS+UD^24V,電流取10mAo其余各穩(wěn)壓管

均取2OV54(2CW13)型6V/10mA即可。

(5)單結(jié)管振蕩器

圖中單結(jié)管選用了500mw的BT33F,由表查得“在0?65?0?85之間，

取0?75,其振蕩周期為

T=RECEIn-^—工1.39R￡(2215)

1一〃

振蕩周期較短可提高穩(wěn)壓精度，但不太顯著：而較長(zhǎng)其影響卻非常顯著,

取振蕩頻率為1kHz左右就可以了。

若取T=lms,貝！)

T

RQ=—=——=0.719*10-3(2-2-16)

1.391.39

根據(jù)觸發(fā)脈沖的寬度，取CE=O.IpF就夠了，故

“0.719xl()-3…，八

R.=-------------=7.19kQ(2-2-17)

EO.lxlO-6

取8.2kO。由于功率很小，取1/4W就可以了。以下的計(jì)算，如無特殊說明，

均取1/4Wo

(6)限流環(huán)節(jié)

因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓為6V,即運(yùn)放Ui的4腳與6腳電壓為6V,只要電位器Wi

可以將其5腳、7腳電壓調(diào)到6.5V即可，為此取通過R7、Wi的電流為1mA,

則

24V

為+叱=——=24g(2-2-18)

\mA

那么

UA_R7+W1

(2-2-19)

UP~wT

于是

VV1=(/?7+VVl)—=24x—=6AQ(2-2-20)

；UA24

取標(biāo)稱值6.8k。，則R7=24-6.8=17.2k(),取18k。。取18k。驗(yàn)算是否UP

>6Vo因?yàn)?/p>

W\68

U=----------U=—x24=6.6V(2-2-21)

PK/+WIA24.8

所以滿足要求。

(7)電壓測(cè)控環(huán)節(jié)

此電路電壓分兩擋控制，第一檔為電池開始冒泡電壓，第二擋為每單元電

池達(dá)到2.25V電壓。不同型號(hào)和不同廠家的電池其冒泡電壓有所區(qū)別。對(duì)于開放

式半密封膠體電池來說，通過加電過程的觀察，按實(shí)際情況定；而對(duì)密封電池,

每單元電壓按2V計(jì)算。

設(shè)膠體電池在充電電壓使每個(gè)單元電壓達(dá)到2.25V時(shí)為第一限，這時(shí)的充

電電壓為

UB=(2.25*6)*16=216V(2-2-22)

仍設(shè)電阻臂電流為1mA,并設(shè)M點(diǎn)電壓在216V充電電壓時(shí)，UM=6V,于

是

=^K=216K2

(2-2-23)

14，\mA

%=(仆+16喂=62(2-2-24)

取標(biāo)稱值6.8kQ則Ri4=216-6=210kft,為使取值和第二限值統(tǒng)一，考

慮給W2以較大的調(diào)節(jié)范圍，故取Ri4=210kQo只要保證在第一限值216V以

前UM<6V,在216V以后UM>6V,在第二限值（2.3*6）*16=220,8V以前

UN<6V,在220.8V以后UN>6V就可以了。為此，對(duì)上述兩條分別作一個(gè)計(jì)

算，即只要保證將W2=W3=6.8kn全值投入后，在216V充電電壓時(shí)，M點(diǎn)分壓

大于6V就可以了。第二種計(jì)算就不需要了，因?yàn)?16V時(shí)，UM>6V,220.8V

時(shí)當(dāng)然更大于6V了。該計(jì)算是：

"一叫=———x2I6?6.8>6V

(2-2-25)

為4+%6.8+210

計(jì)算結(jié)果滿足要求.因此，只需根據(jù)要求把電位器值適當(dāng)調(diào)小就可以了.

（8）低壓準(zhǔn)備停機(jī)測(cè)量環(huán)節(jié)

當(dāng)電池放電時(shí)，原來充入的電荷會(huì)慢慢消耗，當(dāng)電池組端電壓降到一定值

時(shí)，就應(yīng)停止再放電，否則將會(huì)損害電池。這里設(shè)每個(gè)單元電壓低到1.75V（這

對(duì)多種電池都留有余量）時(shí)，R18上的電壓UR18W6V,使比較器5的輸出

端13給出低電位，低壓警告指示燈亮。

同樣設(shè)在每個(gè)單元電壓為1.75V時(shí)，電阻臂Ri7、孫8流過1mA電流，貝

cn(1.75x6)X16V,

Ri?+Rs=-----------------=168Al2(2-2-26)

\mA

%=(67+/?18)—=6^1取6.2kC(2-2-27)

168

47=(凡7+KJ-%=161.8^1取168kQ(2-2-28)

那么

UR8=—a——x216=7.97V(2-2-29)

z凡17/+凡Io、168

也即電阻Ri8取大了，但Ri7和Ri8鄰近的標(biāo)稱電阻又相差太大，最好取6.2k。

的電位器更靈活一些。

（9）電解電容的取值

電路中的電解電容都是作平滑之用的。G和C6是作平滑輔助電源之用，它

的作用是在充電脈動(dòng)電壓期間，使輔助電壓波動(dòng)不要超過額定值的5%。電容的

充電規(guī)律為

U*UBl"r(2-2-30)

式中t為充電脈沖持續(xù)時(shí)間。在這里作一級(jí)近似，即設(shè)原來C上的直流電壓是

不變的，只在充電半波高出電池電壓的部分電容上電壓才變動(dòng)，則Uct即為變動(dòng)

電壓，而UB為充電電壓脈動(dòng)高出電池電壓部分的峰值。而在此的交流峰值電壓

UM?V2X168V?238V

而電池標(biāo)稱值電壓為12Vxi6=192V,Um高出電池標(biāo)稱值電壓46V,即

UB=46V,則：

r=/?2(C,+C6)(2-2-31)

R2為降壓電阻，控制電路的等效電阻為1k。，消耗電流30mA左右，也即

192V-24V

R,=---------------=5.62(2-2-32)

-30mA

式中24V為輔助電源電壓，網(wǎng)上功耗為P2=30mAx60V^1.8W,所以R2

取6kQ/4W電阻。一般這樣估算，即當(dāng)電池電壓在最低值(168V)時(shí)，開始

根據(jù)正弦波定義，電壓瞬時(shí)值

e=UMsin69/=UMsina(2-2-33)

那么

a=sin