电气工程及其自动化毕业设计：船用小型UPS电源系统设计.doc

1、 本科 毕业设计 船用小型 UPS 电源系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着社会的发展， UPS 电源系统越来越得到人们的认可。本文介绍了基于 SPWM 控制技术的船用 UPS 电源系统的设计。该装置能在常用电源出现问题时， 短时间保证船上各种重要设备，如通讯设备、监控设备、基础照明设备等正常运行，能很好的达到电源不间断的目的，更具有体积小、效率高、常用电源与备用电源转换快速的特点。 一个完整的 UPS 电源系统一般包括整流部分、充电部分、逆变部分。如此一来，良好的UPS 系统肯定离不开电力电子技术的应用。本文介绍了

2、国内外船用 UPS 电源的发展和现状，在电力电子技术的基础上对整流电路、充电电路、逆变电路进行了阐述分析，研究了 UPS 系统的基本原理。本文首先分析了设计要求，构思了 UPS 系统的总体拓扑结构，需要哪些电路模块。设计采用双极性正弦 脉宽调制（ SPWM）技术， SPWM 波由波形发生器 SA4828 产生。沿用传统的交 直 交变频方案，主要由整流电路、充电电路、逆变电路、滤波电路组成。整流电路采用单相桥式不可控整流电路； 逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路 ，开关器件使用 MOSFET 管 ；控制电路采用 SA4828 波形发生器进行变频控制 ， 80C196KC 单片机控制 SA4828

3、的输出；且本文设计了电压闭环反馈系统，实时监控电压的输出；有过电流保护程序，电流过大时能自动关闭 PWM 波的输出；有电压显示环节。本文根据要求设计了单片机的程序流程图，并在最后对 主电路进行了仿真。 关键词 ：船用 UPS； SPWM 技术；逆变电源 II Abstract With the development of society, UPS power system has been recognized by people. This paper introduces the Marine UPS power supply system design based on SPWM co

4、ntrol technology. The device can guarantee the normal operation of various important ship equipments in short time, such as communication equipment, monitor equipment, basic lighting equipment when the common power have problems. UPS can reach the purpose of uninterrupted power supply perfectly, and

5、 it has the advantages of small size, high efficiency, fast conversion between common power and standby power. A complete UPS power system generally includes rectifier circut, charging circut and inversion circut. So, good UPS system must depend on electricity electronic technology application. This

6、 paper introduces the development of domestic and international Marine UPS power supply, and the status quo in power electronic technology, on the basis of power electronic technology, we have analyzed rectifier circuit, charging circuit, inverter circuit, and this paper analyzes the basic principle

7、 of UPS systems. This paper analyzes the design requirements first, and conceives the UPS Topological structure, what circuit module is needed. We adopt dual polarity sine pulse-width modulation (SPWM) technology, SPWM wave is produced by SA4828 waveform generator. The UPS designed in this paper ado

8、pts the traditional AD CD AD methods, mainly consists of rectifier circuit, charging circuit, inversion circuit and filter circuit. Rectifier circuit adopts single-phase uncontrolled bridge rectifier circuit; Inversion circuit adopts three-phase bridge of the voltage type inversion circuits, MOSFET

9、tube is used as switching device; The control circuit adopts SA4828 wave generator for frequency conversion control, SA4828 output is controled by 80C196KC SCM. And this paper designs of voltage close-loop feedback system to monitor the output of the voltage in time; UPS system has over current prot

10、ection program, the system can automatically shut off PWM waves when the output current excessive; This pape have voltage display links. This paper has designed single-chip microcomputer program flow chart according to the requirements, finally have simulation to main circuit. Keywords: Marine UPS;

11、SPWM technology; inverter power III 目 录 前言 . 1 1.1 设计任务要求及内容 . 2 1.2 UPS 简介 . 2 第 2 章 SPWM 控制方式 . 6 2.1 PWM 控制的基本原理 . 6 2.2 PWM 波的控 制方法 . 6 2.3 异步调制和同步调制 . 8 第 3 章 主电路的分析与设计 . 10 3.1 整流变压电路及其器件的选取 . 10 3.2 充电电路的设计 . 12 3.3 蓄电池的选择和注意事项 . 13 3.4 逆变电路的设计 . 14 3.5 滤波器的选择 . 15 3.7 隔离变压器 . 16 第 4 章 控制电路的设

12、计 . 17 4.1 检测电路 . 17 4.2 80C196KC 简介 . 18 4.3 SA4828 芯片的介绍 . 20 4.4 输出显示 . 21 4.5 驱动电路 . 21 4.6 直流稳压电源 . 21 第 5 章 软件的设计 . 23 第 6 章 仿真 . 25 结论 . 29 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 30 1 前言 随着科学技术的发展，各种电气设备、机械设备越来越普及，甚至成为生活必需品。这些设备的第一保障不是别的，就是电源， UPS 技术也就随之而生。 UPS 是 Uninterrupted Power Supply 的缩写，即不间断电源系统。 现代船舶

13、采用了柴油发电机机组并网运行来产生船舶照明及电气设备所 需要 的交流电源。但是柴油发电机的转速常常会发生波动，而船舶电网的容量有限，这样会使船舶交流电网的母线电压以及运行频率发生较大波动 。 另外船舶中电 力 拖动设备需要变频变压的交流电源，而柴油发电机 一般工作在产生恒压 、 恒频交流电的状态。 且由于多种设备集中在船舱狭小的空间内，海上航行波动大，这对船用 UPS 电源的抗电磁干扰及可靠性提出了严格的要求。 为了解决上述问题 ， UPS 电源系统在船上得到了广泛的应用。 UPS 有非常明显的优势：第一，在线式 UPS 能大幅度降低电源的波动。柴油机组的电源波动频繁，电压很不稳定，通过 UP

14、S 逆变后能隔绝柴油机组直接向负载供电；第二，后备式 UPS 能保证常用电源出现问题时及时供电。一些意外或操作失误引起常用电源出现故障时，后备式 UPS 会及时切换供电系统，向重要负载供电，如通讯系统、监控 系统；第三，现在的 UPS 多采用数字技术，相比硬件电路而言能极大的减少发热，保证设备的环境温度不会过高，降低散热成本。 当然 UPS 系统不会一蹴而就，也经过了长期的发展完善。 最早的 UPS 现在看起来是那么的不可思议：采用了最原始的机械储能方式 在发电机组上带一个数千斤重的大转轮，市电故障后该系统只能维持正常供电几秒钟。现代的逆变式 UPS 问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技

15、术性能而言，它经历了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从短延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不间断供电到智能化操 作和处理功能的发展历程。随着蓄电池技术和电力电子技术的发展，其控制电路也发生了很大的变化，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的集成芯片控制，由硬件控制发展到软件控制，如软件控制输出电压、输出频率；甚至光纤通讯也被引入 UPS，而且，微处理器也已被广泛应用于中小容量的 UPS 中，甚至还专门为蓄电池做了监控电路，以保证蓄电池随时处于最佳状态。 随着计算机网络结构的飞速扩展，现在网络中应用的 UPS 不仅仅是单纯的供电系统，而逐渐成为整个网络中电源的控制管理中

16、心，各种事故的处理、数据的存储也都经过 UPS 系统进行，真 正实现了智能化、多功能化。现在，许多先进的 UPS 自身就融合了多种技术， UPS 不仅提供不间断电源，而且当常用电源出现故障而没有人及时发现时， UPS 能自主的依次关闭作为负载的用电设备，并发出警报让用户及时知道并处理。现代的 UPS 与主控软件本就是一个系统，通过电路和程序的设计，还能实现事件记录、故障报警、 UPS 参数自动测试分析调节等多项功能，提供了相对完善的电源管理解决方案。有些 UPS 甚至可以对环境温度、湿度等进行监视。 UPS 的智能化还表现在“绿色 UPS”上。“绿色 UPS”相对加强了节能功能，可以减少系统使

17、用的电 能量，既减少了成本，又能对环境保护做贡献。比如“绿色 UPS”在检测到打印机长时间空闲后 ,就会关闭打印机的电源。当出现打印请求时， UPS 可以马上给打印机恢复供电。随着“绿色 UPS”的出现，又为节约能源提供了理想的解决方案。 2 1 章 绪论 1.1 设计任务要求及内容 众所周知，海上航行存在一定的风险，还不能完全避免事故的发生。这就有必要保证一些重要负载如呼救系统片刻不能间断电能供应。 本课题设计一个为船舶通讯设备、应急照明设备、控制设备提供性能可靠的后备 UPS 电源，此 UPS 电源采用船上蓄电池组供电，蓄电池组电 压为 168V，要求此 UPS 电源能够提供线电压为 66

18、V，最大输出电流为 20A， 供电时间为 30min， 当输出由空载变为满载时输出电压下降率不超过 2.5%。 设计此 UPS 电源的主电路拓扑结构图、控制电路以及相应的过压过流保护电路，要求设计此 UPS 与常用电源实现合理切换方案，设计蓄电池充电回路。 图 1.1 UPS 结构图 设计的基本内容： （ 1） 根据要求设计出主电路的结构形式，画出主电路的原理框图。 （ 2） 主电路各个元件的参数计算和型号选择。 （ 3） 研究 UPS 与常用电源的合理切换。 （ 4） 设计蓄电池组的充电回路。 （ 5） 对系统进行仿真和研 究。 （ 6） 整理设计数据资料，设计总结，撰写论文。 1.2 UP

19、S 简介 UPS 是一种含有储能装置，以 逆变器 为主要组成部分 ，能够提供 恒压、恒频的不间断电源 。 UPS 的起源很早，在上世纪 50 年代就有 UPS 的身影。到如今，随着电力电子技术的发展， UPS 技术已经比较成熟，相对完善。 UPS 按工作状态分为在线式、在线互动式、后备式三类。在线式 UPS（ On line UPS）工作模式为市电经过整流环节 后变为直流，直流一方面电对蓄电池充电，蓄电池放出的直流电再经过逆变环节向负载供电，另一方面直接经逆变向负载供电。如此一来， 市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备 ， UPS 在全过程中运行。 其优点是输出的波型和市电一样是

20、正弦波，而且纯净无 谐波 ，不受市电不稳定的影响 ，电源质量很高。 图 1.2 在线式 UPS 结构图 在线互动式 （ Line-Interactive UPS ） 又称 线上交错式 或 线上互动式 ，基本运行方式和离线式一样，它不像在线式全程运行，但时刻监控常电的运行状况，具有电压补蓄电池组 三相逆变电路 LC 滤波 负载 AC D C DC A C 蓄电池 负载 市电输入 3 偿电路，本 身能进行升降压。其优点在于能及时校正市电的波动或异常，减少电路的不必要切换，延长蓄电池使用时间。 后备式 UPS 又称非在线式（ Off line UPS），它不会参与常电的工作，只是一种备用性质的电源。

21、市电分为两部分，一部分可直接对负载供电，另外一部分经整流后对蓄电池组充电，蓄电池经逆变、稳压后提供给负载，两部分之间通过静态旁路开关切换。常电异常时， 图 1.3 后备式 UPS 结构图 UPS 启动，保证设备的正常运转。优点是多了一组备用电源，不怕市电短时间停止供电。 UPS 的控制多采用脉宽调制方法。脉 宽调制的波形可以由硬件电路产生，也可以由软件编程得到。现代的 UPS 基本是采用软件编程控制方法，即由软件产生 PWM 波来控制 UPS 的输出。 正因为 UPS 作为电源的不间断性这一良好性能，它得到了广泛的应用。航天领域、通信领域等，只要是重要的电气设备，都会加入 UPS 这一模块。船

22、舶领域使用的尤其频繁。在茫茫无边际的海洋，一条船孤单的行驶着。一旦常用电发生异常情况， UPS 立刻投入使用，也许避免了与前方不远处的冰山相撞；也许避免了驶入水流异常的海域；如果是晚上，则避免了船内一片黑暗的情况出现；即使常用电不能恢复正常，也能 及时通过通讯设施、呼救设备向外界或其他船只发出求救信号，也是不幸中的大幸。 UPS 对海上航行的船只是一种安全保障，更是对船员安全的一种保障。 现代 UPS 的发展方向是高频化、小型化、智能化、自动化、网络化和环保化。随着新技术、新器件和新材料的不断出现， UPS 高频化有了可能。 （一） 高频数字化、小型化和环保化 高频化的目的是为了小型化和数字化

23、，高频化是小型化和数字化的基础，为了小型化就必须取消影响小型化的电池变压器。环保化有两个内容：一个是电气的，比如电磁兼容的内容；一个是物理的，比如可闻噪声和铅汞等对空气的污染 ，严重影响了工作人员的身心健康。为此，国际上对电气的和物理的污染早已提出了限制标准，比如专门对 UPS 提出的关于电磁兼容的标准 EN50091-2；对铅汞之类的重金属的污染， 2003 年 2 月，欧盟通过了关于报废电气电子设备指令（ WEEE）和关于在电气设备中限制使用某些有害物质指令（ ROHS）。按照 ROHS 指令，到 2006 年 7 月 1 日，投放欧盟的电器不得还有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚

24、等 6 种有害的物质。我国政府也于近期正式出台了电子信息产品污染控制解决办法，该办法中明确规定在制造过程中应当减少 ，甚至避免使用铅、汞等有毒物质的使用。 （二） 网络化和智能化 网络时代的 UPS 产品已经由独立的外部设备产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分，除了要求 UPS 产品可方便地接入网络和计算机系统，有些还要求实现 UPS 与网络和计算机之间的双向通信。为了实现网络连接，目前大多数 UPS 产品都提供了 RS-232， RS- 485 通信接口，对于要求能执行计算机网络控制管理功能的 UPS 来说，还配置了简单的网络管市 电 整流 充电 蓄电池 逆变 隔离变压 负 载

25、旁 路 开 关 4 理协议（ Simple Network Management Protocol， SNMP）卡，实现了 UPS 设备与网络 和计算机的连接。 由于微处理技术的应用， UPS 产品实现了智能化。智能化的 UPS 一方面实现了设备运行过程中的自我监控，对一些异常情况进行预处理，使 UPS 运行更稳定可靠。另一方面也实现了UPS 与计算机网络系统的双向数据通信，用户可以通过计算机和网络的各个节点实时监控 UPS电源的运行状态，能随时准确掌握 UPS 各种参数（如输入输出电压、电流、频率，报警信息）。但为了安全需要，一般会把控制功能的通道关闭。 智能化的另一个作用是自动化， UPS

26、 能自动完成一些自我检测、开关的闭合、故障保护后的自我恢复，不需要太多的人员，节 省了部分人力。 （三） 监控软件多平台与监控远程化 现代网络已经基本实现了全球化，也变得越来越复杂，不同形式的网络系统经常连接在一起。 UPS 作为网络系统的一部分，必须能够在各种不同网络平台上监控，目前许多 UPS 生产制造公司如 APC、山特 UPS 的监控软件都提供了多平台支持。实现远程化监控是 UPS 产品发展的又一趋势。 （四） DSP 技术和高频技术 随着数字化技术的发展， DSP（ digital signal process，数字信号处理）技术开始在 UPS系统上使用， DSP 技术的使用提高了

27、UPS 产品输出电压的稳定性和纯净度，同时提 高了 UPS 产品本身的可靠性。而 IGBT 技术和高频技术的应用大大提高了电源的效率，降低了系统噪声和电源自身的功率损耗，也提高了系统的可靠性。 （五） 电压串并联技术 使用电压串并联调整技术（也称 Delta 变换技术）在保持了传统双变换在线式 UPS 全部高性能输出指标的同时，也对电网适应能力和供电能力两个方面有了重大改变和突破，能够实现零转换时间和高输入端功率因素，有效地降低了前配发电机的容量，并大大降低了对电网的污染。 （六） 并机运行和冗余技术 以前的 UPS 大部分是单机运行为主，随着包括计算机在内的电子设备的增加和应用，几百千 伏安

28、的容量已经不能支持所有设备的用电，一次性购买大功率产品显然不经济，因此模块化功率产品的出现被认为是 UPS 系统发展的一个重要方向，有时多个小功率模块采用并联技术连接后实现并网运行，可以方便灵活地配置整个电源系统容量。但并联不一定是冗余的，冗余的目的是为了提高可靠性，有时并联的目的是为了增加容量。为保证系统的高稳定和高可用，配置多台 UPS 设备并机运行实现电源容量的冗余也是 UPS 发展的一种趋势。 （七） 国内外产品的差异 国内外 UPS 产品的差异更多的是体现在小功率产品中。由于国内电网供电质量差，因此国内的小功率产品 更多的注重电气性能指标的设计，一些先进的数字化技术并没有在小功率产品

29、中得到应用，外形设计虽有所改观，但与国外产品还存在较大差距。国内的工频为 50 赫兹，国外一般为 60 赫兹，如果是国外进口的产品， UPS 内部一般会有一个变频部分。 （八） 环保化的进展 如前所述，对于 UPS 电源来说，电磁的兼容性就是一个环保问题 .UPS 对环境的污染包括两个方面：电气方面，如各种频率的噪声干扰等，这种噪声由于频率比较高，超过 20K 赫兹，属于超声波，人耳听不见，但会干扰其他机器的正常工作 ;物理方面，如可闻噪声，这5 种噪声频率较低，人耳能听见 ，会影响人的情绪，久而久之会对身心健康产生不利影响。现代 UPS 的环保化主要体现在两个方面：一是环保化的设计，比如采用

30、高频脉宽调制，使滤波环节更小巧，抑制干扰效果更好；二是环保化的生产，如用无害元素代替有害元素。 （九） UPS 的模块化 近年来 N+X 冗余模块式 UPS 发展很快。 UPS 模块化结构大抵有两种方案。功率模块并联法和 UPS 单体并联法。前一种结构的优点在于能使各功率模块的输出电流平均分配，再不用外加任何并联电路环节，所以控制电路比较简单，降低了成本，又避免了并联电路带来的检测和控制调整上的麻烦。另外 由于功能分离，第一减轻了重量，移动比较方便；第二备份利用率高，比如备份构成的单机的一个功率模块和一个电池模块就可以分别更换，为用户节约了成本。不足之处在于：各功率模块不能独立逆变工作，在任何

31、时候都不允许控制模块故障。单体并联法优点在于每一个模块功能完整的 UPS 系统，即使不放置在原来的电柜上也能单独使用。换言之，备用模块在备用期间也能拿出来使用，提高了备 图 1.4 功率模块并联图 用器材的利用率。由于控制电路和功率模块在一个机柜内，降低 了因连接不牢而导致故障的概率，在冗余模块配置允许范围内没 有最低 故障模块类型的限制。不足在于分离式备份无法分开，必 须备份整机单元，也不可以拆分更换。 图 1.5 UPS 单体并联图 UPS单元 UPS单元 UPS单元 UPS单元 功率模块 功率模块 功率模块 功率模块 功率模块 电池模块 电池模块 电池模块 控制电路 控制电路 接口 6

32、第 2 章 SPWM控制方式 2.1 PWM 控制的基本原理 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过 调制 一系列脉冲的宽度，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值 ） 。 PWM 控制技术在 闭环反馈控制 中的应用十分广泛， 尤其是在逆变电路中，控制效果最明显，目 前中小功率的逆变电路几乎都采用了 PWM 技术。 甚至 可以说正是 因为 PWM 控制技术 在 逆变电路中 的显著效果 ， 有大量的人员去研究、改革， 才 使 PWM 技术 发展的比较成熟。 PWM 控制的基本原理有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其

33、效果基本相同。 冲量 就是 窄脉冲的面积 ，即 面积相等而形状不同的窄脉冲加到具有惯性的 环节上 时，其输出响应波形基本相同。 通过傅里叶变换分析输出波形 ， 发现 低频段波形基本一致 ，仅在高频段有 些微 差异。 上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM 控制技术的重要理论基础。下面分析 如何用一系列等 幅 不等宽的脉冲来替代一个正弦半波。 （ a） （ b） 图 2.1 用 PWM 波代替正弦波 把图 2.1 中 a 的正弦半波 按频率 分成 等宽的 N 份，就可以吧正弦半波看 成 是由 N 个 彼此相连的脉冲序列。这些脉冲 等宽不等幅 ，且脉冲顶部是曲线，脉冲的幅值按正弦规律变化。如

34、果把 这一系列 脉冲序列 按面积相等的原则，使用一系列等幅不等宽的脉冲代替， 就得到了图 b 中 的脉冲序列 ， 这就是 典型的 PWM 波形 。 根据面积等效原理， PWM 波和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以 用 相同 的方法得到 反向 PWM 波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而 和 正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（ Sinusoidal PWM）波形。 要改变等输正弦波的幅值时，只 需 按照比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。 2.2 PWM 波的控制方法 （ 1）计算法 所谓计算法，就是当我们一旦确定了逆 变电路所需输出的正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数，根据前述的面积等效的基本原理， PWM 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，进一步计算出各脉冲的前、后沿时刻，于是便可得到所需的 PWM 波，以此直接控制逆变电路中各开关器 件的通 /断，便可在负载上得到所需要的 PWM 波形。由于 逆变电路的输出参数会不断改变，计算任务繁重 ，所以计算法在实际中很少采用。